8 Minute
Inginerii de la Universitatea Cornell au dezvoltat un textil care absoarbe aproape toată lumina — 99,87% din aceasta — creând unul dintre cele mai întunecate materiale textile consemnate până acum. Descoperirea combină biomimetică, chimie polimerică și inginerie la scară nanoscopică a suprafeței pentru a produce o lână merinos ultraneagră, flexibilă și purtabilă, potrivită atât pentru modă, cât și pentru aplicații funcționale precum senzori optici, gestionarea termică sau finisaje scenice.
Cum au transformat cercetătorii lâna într-un material ultranegru
Obținerea unui efect „ultranegru” nu ține doar de aplicarea unui colorant mai intens. Echipa de la Cornell a schimbat modul în care țesătura interacționează cu lumina la nivel nanoscopic. Ca punct de plecare au utilizat tricot alb din lână merinos, pe care l-au imersat într-un polimer sintetic similar melaninei, numit polydopamine. Acest strat polimeric a întunecat chimic fibrele și a contribuit la absorbție, dar pasul esențial a fost unul structural: materialul a fost introdus într-o cameră de gravare cu plasmă, unde cercetătorii au sculptat pe suprafața fibrelor nanofibrile — muchii microscopice asemănătoare firelor — care alterează radical interacțiunea luminii cu fibrele.
O rochie proiectată de Zoe Alvarez, inspirată de pasărea riflebird magnifică, parțial realizată cu cea mai neagră țesătură înregistrată (borta neagră intensă din jurul zonei albastre).
Aceste fibrile minuscule captează fotonii care ating suprafața. După cum explică Hansadi Jayamaha, cercetător în știința fibrelor și designer implicat în proiect, 'lumina practic ricoșează între fibrile, în loc să se reflecte înapoi afară — asta creează efectul ultranegru.' Repetarea dispersiei interne face ca majoritatea luminii reflectate să fie reabsorbită sau deviată, rezultând o reflectanță foarte scăzută și o apariție vizuală extrem de întunecată. Măsurătorile spectrofotometrice și cele realizate cu sfera integratoare confirmă un coeficient de reflectanță globală în jurul valorii de 0,13% (adică 99,87% absorbție) în domeniul vizibil, dar performanța se extinde și în porțiuni ale spectrului apropiat.
Imagini care arată structura microscopică a lânii merinos albe netratate (e1) și a lânii vopsite și tratate cu plasmă (e5-8).
Natura ca model: pasărea riflebird magnifică
Echipa s-a inspirat din pasărea riflebird magnific (Ptiloris magnificus), o specie din Noua Guinee și nordul Australiei, renumită pentru pieptul iridescent albastru-verzui, încadrat de penaj aproape negru. La această pasăre, microstructura penajului suprimă lumina dispersată și amplifică contrastul vizual dintre zonele irizate și cele foarte întunecate. Țesătura creată la Cornell imită acel truc microstructural, dar îmbunătățește performanța unghiulară: la riflebird, negrul este cel mai intens când este privit din față și devine mai reflectiv la unghiuri înclinate, în timp ce textilul inginerizat păstrează reflectanța redusă până la circa 60 de grade de o parte și de alta a normalului.
.avif)
Un mascul de riflebird magnific
Unde se situează această tehnologie printre materialele ultranegre
Lâna nouă nu este neapărat cel mai întunecat material cunoscut — Vantablack, de exemplu, absoarbe în jur de 99,96% din lumina incidentă, iar un aranjament ulterior de nanotuburi de carbon dezvoltat la MIT a raportat o absorbție de aproximativ 99,995%. Totuși, acele materiale de înaltă performanță pot fi costisitoare, limitate la substraturi rigide sau dificil de scalat pe suprafețe flexibile. Procesele folosite pentru Vantablack sau pentru array-urile de nanotuburi implică, în multe cazuri, depozitare în vid, temperaturi înalte sau metode care nu sunt imediat compatibile cu fibre textile delicate. În contrast, abordarea Cornell utilizează lână merinos relativ ieftină și procese chimice și de plasmă scalabile; cercetătorii susțin că acestea pot fi adaptate pentru producție textilă la scară mai mare, folosind echipamente de tip roll-to-roll și camere de tratament pe bandă rulantă, reducând astfel bariera tehnologică pentru integrarea în modă și industrie.
Pe de altă parte, provocările rămân: controlul uniformității pe metru liniar, integrarea cu fire și țesături diverse (de ex. bumbac, poliester, amestecuri), costurile de operare ale camerelor de plasmă la volum mare și evaluarea impactului pe termen lung asupra proprietăților mecanice ale fibrei. De asemenea, tratamentul cu polydopamine și etch-ul cu plasmă trebuie optimizate pentru a menține reziliența la spălări, abraziune și radiație UV, aspecte esențiale pentru utilizările comerciale.
Echipa a demonstrat deja aplicații practice: studenta la design vestimentar Zoe Alvarez a creat o rochie cu o tranziție treptată spre zona ultraneagră care înconjoară un centru vivid albastru-verzui, reamintind penajul riflebird-ului. Această piesă evidențiază că materialul poate fi integrat în articole de îmbrăcăminte și design vizual, nu doar în probe de laborator; integrarea de zone ultranegre lângă fibre obișnuite oferă oportunități de design contrastant în modă și artă.
Aplicații și implicații
Dincolo de modă, textilele ultranegre pot avea aplicații semnificative în senzori optici, gestionare termică, și industria teatrală sau a afișajelor, unde controlul luminii parazite este critic. Materialele care captează lumina eficient pot crește sensibilitatea instrumentelor în camerele științifice, spectrometre sau telescopi de mici dimensiuni, prin reducerea reflexiilor interne. În arhitectură și design interior, finisajele ultranegre pot reduce orbirea și pot evidenția elemente luminoase sau irizate, oferind contrast puternic. Există și aplicații potențiale în fotonică, unde suprafețele cu absorbție ridicată pot fi folosite pentru ecrane, calibrări ale senzorilor sau pentru a spori performanța anumitor tipuri de colectoare solare prin reducerea pierderilor reflectate.
Pentru producție industrială, utilizarea polimerilor accesibili și a etching-ului cu plasmă indică o cale promițătoare spre scalare. Procesele de tip dip-coating cu polydopamine urmate de tratamente cu plasmă în camere controlate pot fi integrate în liniile textile existente, dar aceasta va necesita inginerie de proces pentru a asigura consistența loturilor și compatibilizarea cu standardele de durabilitate. Testele viitoare trebuie să verifice rezistența la spălare, la frecare și la expunere prelungită la lumină și agenți chimici. În plus, evaluarea impactului ecologic al etapelor chimice și energetice (consumul de energie pentru plasmă) va fi esențială pentru adoptarea largă în industrii sensibile la amprenta de carbon.
Studiul — publicat în Nature Communications — nu pretinde că a atins negrul absolut, dar demonstrează o cale practică către absorbție aproape totală a luminii pe fibre flexibile și purtabile. Pentru designeri, ingineri și constructori de instrumente, aceasta deschide o paletă nouă de materiale cu reflecție foarte redusă, mai ușor de produs și de integrat decât multe dintre tehnologiile ultranegru anterioare. În plus, familiaritatea industriei textile cu procese de vopsire și tratare chimică sugerează un traseu relativ natural pentru testarea la scară pilot și, ulterior, pentru adoptarea comercială.
În termeni tehnici, conceptul se bazează pe două mecanisme combinate: absorbția chimică dată de polydopamine (un analog sintetic al melaninei, cu proprietăți fotoabsorbante) și arhitectura fizică a suprafeței creată prin gravare cu plasmă, care maximizează dispersia internă și reținerea fotonilor. Dimensiunile nanofibrilelor, distribuția lor pe fiberă și adâncimea de „sculptare” cu plasmă sunt parametri critici care determină profilul spectral și unghiular al reflectanței. Optimizarea acestor parametri poate permite ajustarea performanței pentru diferite cerințe: de exemplu, un profil cu absorbție optimizată în spectrul vizibil pentru aplicații estetice sau o gamă extinsă în infraroșu pentru aplicații termice.
Pe plan competitiv, avantajul acestei tehnologii constă în combinarea performanței ridicate cu potențialul de scalare pe substrat flexibil. Acest lucru o diferențiază de soluțiile bazate pe nanotuburi de carbon sau pe microstructuri metalice complexe, care, deși obțin cifre mai mari de absorbție teoretică, vin adesea cu limitări majore în ceea ce privește costul, flexibilitatea sau acoperirea suprafețelor mari.
În concluzie, lâna merinos ultraneagră produsă printr-o combinație de polydopamine și tratament cu plasmă reprezintă atât un salt tehnologic în domeniul materialelor cu absorbție ridicată a luminii, cât și o punte între știință și design. Deși sunt necesare teste suplimentare pentru durabilitate, spălare și producție la scară, direcția este clară: materiale ultranegre mai accesibile, adaptabile la industria textilă și cu aplicații practice care depășesc sfera laboratoarelor de cercetare.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu