Физики обнаружили, что блеск шелка возникает из-за наличия в нитях неупорядоченных полостей нанометровой толщины,на которых происходит интерференция света. Та же причина объясняет и теплообмен в нитях и усиливает охлаждение шелка за счет излучения, пишут ученые в статье в Nature Communications.

В большинстве диэлектрических материалов биологического происхождения свет практически свободно рассеивается из-за полного отсутствия интерференции. Из-за рассогласованности фаз отраженные на внутренних границах материала лучи света рассеиваются, не взаимодействую друг с другом. Однако для некоторых биологических материалов, состоящих из биополимеров, характерны необычные оптические свойства: переливания на крыльях бабочек, необычно большое поглощение света или характерный блеск. Все эти свойства так или иначе определяются физическими взаимодействием между структурой материала и падающим на него светом, которое в некоторых случаях приводит и к интерференционными эффектами и резонансу.

Исследователи из США и Южной Кореи под руководством Янга Кима (Young L. Kim) из Университета Пердью обнаружили, что из-за наличия неупорядоченной системы полостей нанометровой толщины интерференционные эффекты при рассеянии света характерны для природных шелковых волокон, что приводит к усилению их отражательной способности. Протяженные полости размером несколько десятков нанометров при прохождении через них света выполняют роль дефектов, на которых по механизму андресоновской локализации волны света не рассеиваются, а образуют локализованное энергетическое состояние.

Обычно эффект андерсоновской локализации наблюдается для волновых функций электронов в примесных полупроводниках на неупорядоченной системе дефектов при переходе между от проводящего к диэлектрическому состоянию. Именно из-за неупорядоченности происходит локализация электронного состояния, что дает возможность волновым функциям электронов интерферировать. Такой же эффект позже был обнаружен и для электромагнитных волн в видимом и микроволновом диапазонах, правда только в двумерных системах и в материалах на основе оксидов переходных металлов с очень высоким коэффициентом преломления. Обнаружить такой эффект в естественных системах из органических биомолекул удалось впервые.

Слева представлена трехмерная иллюстрация процесса локализации световой волны при прохождении ее через шелковую нить, справа — микрофотографии среза шелковой нити с различным увеличением. Seung Ho Choi et al./ Nature Communications, 2018

Чтобы показать, что эффект андерсоновской локализации возможен и в шелковых нитях, авторы работы сначала с помощью электронной микроскопии изучили их структуру. Оказалось, что нить состоит из практически параллельных друг другу волокон толщиной около 10 — 20 микрометров. Каждое из этих волокон в свою очередь образовано нановолокнами толщиной около 100 нанометров, между которыми образуются полости диаметром всего несколько десятков нанометров. При этом все шелковые волокна имеют практически одинаковое сечение по всей своей длине и могут рассматриваться как квазидвумерная. Авторы работы отмечают, что квазидвумерность очень важна для того, чтобы андерсоновскую локализацию можно было наблюдать в такой системе.

Чтобы показать, что такой эффект действительно возможен в подобной системе при характерных для шелковых нитей геометрии и различии в коэффициентах преломления с воздухом, ученые смоделировали процесс распространения электромагнитных волн численно для системы, построенной на основании микроскопических данных и состоящей из 60 тысяч нановолокон.

Моделирование амплитуды электромагнитного поля при распространении света в шелковых нитях, состоящих из двух, шести и 14 волокон. Seung Ho Choi et al./ Nature Communications, 2018

Оказалось, что в шелковых волокнах при распространении света действительно доминируют эффекты, связанные с рассеянием света на микроструктурах. При этом андерсоновская локализация сказывается как на оптических свойствах шелковых волокон, так и на процессах теплообмена. В частности, это приводит к тому, что шелк практически не пропускает свет, отражая большую его часть в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. А вместе с собственным излучением белка в инфракрасном диапазоне это приводит к сильному охлаждению за счет излучения независимо от времени суток.

По словам ученых, тот факт, что эффект андерсоновской локализации света удалось обнаружить в природных материалах, состоящих из белков, открывает довольно широкие перспективы для создания биоорагнических метаматериалов. В дальнейшем материалы с подобной структурой на основе биополимерных молекул могут быть использованы для создания биосенсоров, которые смогут определять, например, изменение коэффициента преломления среды с использованием биогенного резонанса света.

Несмотря на то, что эффект андерсоновской локализации света в материалах биологического происхождения удалось обнаружить впервые, многие природные метаматериалы с необычными оптическими эффектами были известны и раньше. Например, хитин на крыльях золотистого жука благодаря спиральным структурам способен сохранять круговую поляризацию света при отражении. А насекомые из семейства цикадок производят специальные микрочастицы с ячеистой поверхностью, которые использовать рассеяние света для защиты или маскировки.

Автор: Александр Дубов