微小的网络交织在一起，模仿鸟类颜色的设计

鸟类鲜艳的羽毛通常是一场视觉盛宴，但对于科学家来说，这一直是一个令人头疼的问题，他们一直在努力在实验室中重建产生这些颜色的光子纳米结构。

部分挑战是在几百纳米的尴尬尺度上开发结构：对于分子化学来说太大了，但对于直接制造来说又太小了。

由康奈尔工程学院材料科学与工程系和艺术与科学学院物理系联合任命的教授埃里克·杜弗雷斯内（Eric Dufresne）领导的团队开发了一种方法，通过一种相分离形式有效地设计这些复杂的纳米结构 – 这个过程类似于沙拉酱中水和油的解耦方式。

由此产生的材料可以证明可用于各种应用，从制造可持续颜料到能量储存和过滤。

该团队的论文“弹性微相分离产生稳健的双连续材料”于10月26日发表在《自然材料》杂志上。第一作者是苏黎世联邦理工学院的博士后研究员Carla Fernández-Rico。

多年来，Dufresne一直在自然界中寻找灵感。通过研究鸟类和昆虫等生命系统的内部运作，他试图发现新的物理机制，为功能性合成材料的设计提供信息。

在他们的最新项目中，Dufresne的团队着手创造一种“双连续”材料，他将其描述为包含两个“疯狂的相互渗透网络”——橡胶和石油——它们完美地交织在一个精确定义的结构中，但从不牺牲自己的身份或特征。

“在海绵中，流体和固体交织在一起，”Dufresne说。“他们在一起可以做的不仅仅是他们各部分的总和。在纳米尺度上以类似的方式将两种材料结合在一起可以解锁新功能，但也会带来各种挑战。

过去，材料科学家专注于制造双连续纳米结构的两种方法：自组装和相分离。

“你要么从你正在寻找的尺寸的积木开始，然后组装它们。或者你混合了彼此不喜欢的分子，比如油和水。 它们只是自己分离，但很难控制它们制造的结构的大小，“Dufresne说。“我们希望拥有装配方法的所有控制权，但要保持分离方法的简单性和低成本。”

在他们的新论文中，Dufresne的团队介绍了一种称为弹性微相分离（EMPS）的策略。最初的实验显然是低技术含量的。他们将一块硅橡胶（即“弹性基质”）浸入氟化油浴（基本上是液态聚四氟乙烯）中，然后在 60 摄氏度的烤箱中加热。几天后，一旦油被橡胶吸收，研究人员就让它冷却到室温。

“在室温下，油和橡胶不喜欢放在同一个地方。他们创造了这个令人惊讶的复杂结构，“Dufresne说。“在橡胶内部进行分离过程可以防止分离出的油形成一个大块，就像在沙拉酱中一样。”

真正的挑战是衡量和解释他们的结果。纳米结构在普通光学显微镜中几乎不可见，但对于电子显微镜来说，这种材料太“柔软”了。该团队转向3D荧光显微镜，结果显示他们已经成功地创造了所需尺寸的双连续材料。

虽然研究人员对他们的新方法的可能性感到兴奋，但他们仍然不确定它是如何工作的。

“我们可以给出一堆理由，为什么它不应该起作用，但它起作用了，”Dufresne说。“这就是为什么这不仅是一项激动人心的工程贡献，也是一个令人兴奋的物理学，因为我们真的不知道实际的机制是什么。我们知道我们可以获得一系列不同类型的结构，我们可以通过改变不同类型的硅橡胶来调整这些结构。因此，我们试图理解为什么会这样，以及它的局限性是什么。我们能把事情做得更小吗？大得多？这实际上只是一个概念证明。现在，我们希望使用同样的想法来构建更广泛的材料，以实现潜在的有用应用。

合著者包括苏黎世联邦理工学院的研究人员。

该研究得到了苏黎世联邦理工学院奖学金和瑞士国家科学基金会仿生材料研究国家能力中心的支持。