鸟类明亮的羽毛通常是一场视觉盛宴，但对于那些努力在实验室中重建产生这些颜色的光子纳米结构的科学家来说，这一直是一个头疼的问题。
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，而对于直接制造来说又太小了。
Eric Dufresne教授是康奈尔大学工程学院材料科学与工程系和艺术与科学学院物理系的联合教授，他领导的一个团队已经开发出一种方法，通过一种相分离的形式有效地设计这些复杂的纳米结构，这一过程类似于沙拉酱中水和油的分离方式。
由此产生的材料可以在各种应用中被证明是有用的，从制造可持续颜料到能量储存和过滤。
该团队的论文《弹性微相分离产生坚固的双连续材料》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卡拉Fernández-Rico。
多年来，杜弗雷纳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，从而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的团队开始创造一种“双连续”材料，他将其描述为包含两个“疯狂的互穿网络”——橡胶和石油——它们完美地交织在一个精确定义的结构中，但又不会牺牲自己的身份或特征。
“在海绵中，液体和固体是交织在一起的，”杜弗雷纳说。“在一起，他们可以做更多的总和比他们的部分。在纳米尺度上以类似的方式将两种材料结合在一起可以释放新的功能，但也会带来各种各样的挑战。”
过去，材料科学家专注于两种制造双连续纳米结构的方法:自组装和相分离。
“你要么从你想要的大小的积木开始，然后组装它们。或者是一些互不相容的分子的混合物，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，”杜弗雷纳说。“我们希望拥有装配方法的所有控制，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。他们把一块硅橡胶浸入水中。将“弹性基质”放入含氟油(本质上是液体聚四氟乙烯)中，并在60摄氏度的烤箱中加热。几天后，一旦油被橡胶吸收，研究人员就把它冷却到室温。
“在室温下，油和橡胶不喜欢在同一个地方。它们制造了这种令人惊讶的复杂结构，”杜弗雷纳说。“在橡胶内部进行分离过程，可以防止分离出来的油形成大块，就像沙拉酱一样。”
真正的挑战是测量和解释他们的结果。这种纳米结构在普通光学显微镜下几乎看不出来，但对于电子显微镜来说，这种材料太“软”了。该团队转向3D荧光显微镜，发现他们已经成功地创造了一种理想尺寸的双连续材料。
虽然研究人员对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。
“我们可以给出一堆不应该奏效的理由，但它奏效了，”杜弗雷纳说。“这就是为什么它不仅是一个令人兴奋的工程贡献，也是一个令人兴奋的物理事情，因为我们真的不知道实际的机制是什么。”我们知道我们可以得到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。所以我们试图理解为什么会这样，以及它的局限性是什么。我们能把东西做得更小吗?更大的吗?这只是一个概念的证明。现在我们想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。”
