Фото

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9750 (2023) Цитировать эту статью

579 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Фиброин шелка является важным биоматериалом для фотонных устройств в носимых системах. На функциональность таких устройств по своей сути влияет стимуляция упругих деформаций, которые взаимно связаны фотоупругостью. Здесь мы исследуем фотоэластичность фиброина шелка, используя оптический резонанс в моде шепчущей галереи света на длине волны 1550 нм. Изготовленные тонкопленочные полости из фиброина шелка с аморфной (Silk I) и термически отожженной полукристаллической структурой (Silk II) имеют типичную добротность около 1,6 × 104. Проводятся фотоупругие эксперименты, отслеживающие сдвиги TE и TM шепчущих резонансы галерейной моды при приложении осевой деформации. Оптический коэффициент деформации K' для фиброина Silk I составляет 0,059 ± 0,004, а соответствующее значение для Silk II составляет 0,129 ± 0,004. Примечательно, что модуль упругости Юнга, измеренный методом бриллюэновской световой спектроскопии, всего лишь примерно на 4% выше в фазе Silk II. Однако различия между двумя структурами выражены в отношении фотоэластических свойств из-за появления β-листов, которые доминируют в структуре Silk II.

Оптические биоматериалы обладают многочисленными физическими и химическими функциональными возможностями, связанными с их механическими, сегментационными и химическими свойствами поверхности. Первые функции могут ускорить внедрение таких материалов в инновационные и функциональные сенсорные, визуализирующие и исполнительные фотонные устройства1,2,3,4. Важной особенностью некоторых биоматериалов на основе белков является переход метастабильной-стабильной структуры, изменяющий оптические5,6 характеристики материала. Экстракт шелка Bombyx Mori — это натуральный биоматериал, известный своим применением в одежде и хирургии. В то же время его белок фиброин в регенерированной форме широко изучался на предмет его использования в оптических схемах, доставке лекарств и сенсорных компонентах7. Благодаря своей биосовместимости, механической прочности, высокой оптической передаче и индивидуальной смачиваемости фиброин шелка считается основой для разработки носимых и имплантируемых сенсорных устройств8,9, позволяющих создавать прикрепляемые к коже компоненты с легкодоступными оптоэлектронными функциями10. Важным вопросом, возникающим при реализации носимых фотонных устройств на основе шелка, прикрепляемых к коже11,12 является вопрос фотоэластичности, а именно, насколько преломляющая способность и двойное лучепреломление фиброина шелка будут меняться при механической стимуляции. Например, характеристики работы оптических устройств при адгезионном контакте с тканями кожи человека могут зависеть от механических сил, непосредственно действующих в области интерфейса. Что касается фотоэластичности шелка, в ограниченной литературе в основном упоминается индуцированное напряжением двойное лучепреломление в первичных нитях тутового шелкопряда13,14, тогда как, насколько нам известно, нет сообщений о регенерированном фиброине шелка. Фотоупругость коррелирует механические и оптические свойства материала, отражающие локальную структуру, с макроскопическим откликом. Специфическая локальная структура регенерированного фиброина шелка, в которой конгломератируются белковые структуры, такие как случайные клубки, β-листы и α-спирали, делает исследование фотоэластичности особенно важным.

Здесь мы сообщаем о фотоэластичных свойствах фиброина шелка, используя световой резонанс в режиме шепчущей галереи (WGM) в цилиндрических резонаторах, отлитых на опорные балки из стекловолокна. Благодаря высокой добротности поляризационно-чувствительная модальная дисперсия удержания света, обеспечиваемая посредством WGM-резонанса15, позволяет обнаруживать минимальные изменения двойного лучепреломления, что дает оптический коэффициент напряжения и обеспечивает корреляцию с молекулярной поляризуемостью мягких материалов16. Цилиндрические полости микрометрического размера в фиброине шелка сначала формируются в шелке I (метастабильный), а затем трансформируются в шелк II (стабильный), что позволяет на месте исследовать влияние структуры на фотоэластическое поведение фиброина шелка. Образование β-листов в Silk II одновременно изменяет оптические и механические свойства фиброина шелка, доминируя над его фотоэластичностью. Хотя фиброин шелка ранее использовался при изготовлении цилиндрических полостей WGM на плоских подложках17, применение резонанса WGM при изучении фотоэластичности биоматериала на основе белка представляет собой новый подход, реализованный специально для случая фиброина шелка. . Для детального понимания происхождения фотоупругих различий между аморфной и полукристаллической структурами фиброина шелка упругие модули Юнга и коэффициент Пуассона обеих фаз измеряются при нулевой деформации с помощью бесконтактной, неинвазивной световой спектроскопии Бриллюэна. (БЛС). BLS позволяет отделить механические свойства двух шелковых структур от их оптических свойств преломления/поляризуемости18. Ввиду неожиданно очень близких модулей Юнга фотоупругость фиброина шелка в первую очередь обусловлена ​​оптическими свойствами конформаций β-листа, образующихся в избытке в полукристаллическом шелке II, при этом шелк I обладает меньшим двойным лучепреломлением из-за низкое содержание β-листов и пластификация воды.