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19 de Febrero de 2018
Materiales

Las fibras de seda pueden confinar la luz

El hallazgo promete aplicaciones en ingeniería, biomedicina y el diseño de metamateriales.

Un estudio ha demostrado que las fibras producidas por el gusano de la seda (Bombyx mori) confinan la luz de forma natural gracias al fenómeno conocido como «localización de Anderson». [sakchai_R/iStock]

Una colaboración internacional ha revelado que la nanoestructura de las fibras de seda causa el confinamiento de la luz en las direcciones transversas al hilo, al tiempo que permite su propagación en la dirección longitudinal. El fenómeno, completamente inesperado en materiales biológicos, augura varias aplicaciones en ingeniería, biomedicina y el diseño de nuevos materiales. Los resultados se publican en Nature Communications.

Mientras que las fibras ópticas comerciales deben diseñarse con un revestimiento reflectante para permitir el confinamiento de la luz, las de seda son capaces de conseguir lo mismo de forma natural debido a un fenómeno conocido como «localización de Anderson». Este proceso fue descrito hace sesenta años por el premio nóbel Philip W. Anderson al considerar la propagación de electrones en medos desordenados.

En 1958, Anderson demostró que, en el caso de un cristal con numerosas impurezas distribuidas de manera aleatoria, los sucesivos fenómenos de interferencia cuántica que sufren las ondas asociadas a los electrones pueden evitar que estos se difundan por el medio, lo que causa que los electrones «se detengan» y acaben confinados en puntos concretos del material. Aunque originalmente descrita para el caso de los electrones, la localización de Anderson se aplica de manera general a cualquier fenómeno ondulatorio en medios desordenados, lo que incluye las ondas de luz. Este ha sido el caso considerado por el nuevo estudio, liderado por el investigador de la Universidad Purdue Seung Ho Choi. La novedad del hallazgo reside en que, en medios biológicos, la luz tiende a difundirse libremente, ya que los fenómenos de interferencia no suelen desempeñar ningún papel.

Ese no parece ser el caso de los hilos de seda. Cada una de estas fibras presenta un diámetro de entre 10 y 20 micrómetros (a efectos de comparación, el diámetro de un cabello humano ronda los 100 micrómetros) y se compone de miles de fibrillas de unos 100 nanómetros de espesor. En el plano transverso al hilo, son estas nanofibrillas las que actúan como los centros de dispersión que permiten que se produzca la localización de Anderson (el análogo a las impurezas del cristal mencionadas más arriba). Para que ello suceda, el número de centros de dispersión ha de ser muy elevado y su tamaño debe ser similar al de la longitud de onda de la luz. Dado que la longitud de onda de la luz visible es del orden de cientos de nanómetros, las fibras de seda cumplen ambos requisitos.

Este control de la luz ha llevado a los autores a calificar la seda de «metamaterial natural», si bien este término suele reservarse para aquellos materiales artificiales creados ex profeso para que presenten propiedades exóticas. El principal problema del que adolecen los metamateriales es su difícil producción en masa. Dado que en los hilos de seda el control de la luz se consigue gracias a una nanoestructura desordenada, y no a una diseñada meticulosamente, los hallazgos del estudio sugieren una nueva estrategia para producir metamateriales más baratos y fáciles de fabricar.

Además de en la fabricación de nuevos materiales, el trabajo de Choi y sus colaboradores augura usos en biomedicina debido al carácter biocompatible de la seda (en forma de componentes ópticos para toma de imágenes in vivo, por ejemplo), así como aplicaciones en la técnica de refrigeración conocida como «enfriamiento pasivo». Esto último se debe tanto a la localización de Anderson para la luz visible como a la alta emisividad que, por otras razones, presenta la seda en el infrarrojo, lo que hace que radie calor con gran facilidad. Según refieren los autores en su trabajo, incluso bajo una luz solar muy intensa, la seda alcanza una temperatura de equilibrio considerablemente menor que la de otros materiales muy reflectantes, como el aluminio. Ello convertiría a esta fibra biológica en un revestimiento capaz de enfriar sin gastar energía en el proceso.

Fuente: Universidad Purdue

Referencia: «Anderson light localization in biological nanostructures of native silk»; Seung Ho Choi et al. en Nature Communications, vol. 9, art. n.o 452, 31 de enero de 2018.

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