Biologisk nedbrydeligt glitter og forureningsædende mikroalger:de nye materialer inspireret af naturen

Irisensen af ​​marmorbær og de kloge, lysbøjende perforeringer af mikroalger inspirerer videnskabsmænd til at skabe biologisk nedbrydeligt glitter og makeuppigmenter, og bioniske alger til brug i lasere eller til at rense forurenende stoffer.

Naturen har brugt millioner af år på at udvikle svar på problemer. Det er kommet op med geniale løsninger til at bygge stærke strukturer, høste energi og producere iriserende farver. Forskere henvender sig i stigende grad til den naturlige verden for at få inspiration til at skabe nye, grønnere materialer og teknologier.

I laboratoriet hos Dr. Silvia Vignolini ved University of Cambridge, Storbritannien, forskere designer biologisk nedbrydeligt glitter og naturlige farvestoffer til madfarve og kosmetik som en del af et projekt kaldet PlaMatSu.

At gøre dette, de bruger cellulose - en naturlig fiber, der giver styrke og stivhed til træer og planter, bruges til at lave papir. "Det er det mest rigelige materiale, vi har på planeten, " sagde Dr. Vignolini. "Alle tænker på dens styrke, men ikke alle ved, at man kan bruge cellulose til at lave pigmenter."

Ren cellulose er snehvid. For at fremtrylle farver, Dr. Vignolini skærer små figurer ud af cellulose, som lyset preller af som lyse farver - noget der kaldes strukturelle farver.

"Ved at strukturere materiale på en nanoskala, lyset interagerer med det på en måde, der skaber farve, " sagde Dr. Vignolini - tænk på de nuancer, sæbebobler genererer ved at bøje lyset, eller en sommerfugls farverige vinger. I disse eksempler, farven ændres i henhold til synsvinklen.

Dr. Vignolini blev inspireret af de iriserende farver i den naturlige verden forårsaget af et materiales struktur snarere end tilstedeværelsen af ​​pigmenter. Den skinnende metalliske blå frugt af marmorbær (Pollia condensate) er et af de mest slående eksempler, som Dr. Vignolini har studeret, med farve refleksion, der skifter mellem celler og giver frugten et glitrende udseende. Et andet eksempel er Cyphochilus billen, som hun opdagede er hvidere end papir, takket være ultratynde skalaer, der afbøjer alle farver.

Strukturel farve

Dr. Vignolinis laboratorium har brugt strukturelle farver til at fremstille fuldt biologisk nedbrydelige pigmenter og glitter, som kunne bruges i makeup eller som konfetti, for eksempel. Konventionel glitter er lavet af polymer mikropartikler, hvorimod Dr. Vignolinis glitter kun er lavet af specielt formet cellulose.

"Dette er lavet af det samme materiale, som er i hver cellevæg af planter. Det udgør 40 % af en salat, " sagde Dr. Vignolini om hendes glimmer. "Det er ikke skadeligt, hvis det spredes i miljøet, og det er også spiseligt."

Hun samarbejder med kosmetiske virksomheder om at producere plantebaserede, biologisk nedbrydelige pigmenter, herunder til makeup og hudpleje.

Hun arbejder også på nye strukturelle madfarver fra organisk affald, da fødevareindustrien arbejder på at erstatte syntetiske farvestoffer. "Vi kan bruge resterne fra papirfremstillingsprocesser, eller landbrugsaffald, som mango eller bananskræl, som er rig på cellulose, og derefter bruge det til at lave farve, " sagde Dr. Vignolini.

Andre i PlaMatSu-netværket ser ud over farver for at implementere overfladeideer hentet fra naturen. Hold ved universitetet i Freiburg, Tyskland, og University of Fribourg, Schweiz, ser på, hvordan ru planteoverflader afskrækker insekter. De kunne fremstille biologisk nedbrydelige materialer, der kan sprøjtes for at forhindre insekter i at fodre på en afgrøde eller vægge for at afskrække insekter.

For professor Gianluca Maria Farinola ved University of Bari, Italien, en syntetisk kemiker, de smukke lys-manipulerende strukturer af små alger kaldet kiselalger rummer mange mulige anvendelser.

Han har undersøgt molekyler og nanostrukturer til LED-teknologier, solceller og optiske enheder. Mens de underviste studerende i miljøvidenskab, han stødte på kiselalger. Han blev inspireret til at skabe bioniske alger, der kan manipulere lys til laserteknologier eller til at levere medicin.

Kiselalger

Kiselalger er encellede alger, hver indkapslet i silica, deres eget glashus. Disse kan være vifte- eller stangformede, zigzag, cirkulær, eller trekantet. "De er smukke naturgenstande, som har inspireret kunstnere, modedesignere og arkitekter, " sagde prof. Farinola. De forekommer i havene, søer og damme og fremstiller mindst 20 % af den ilt, vi indånder.

"Den største art kan ses med det blotte øje, men kun som små prikker, "sagde prof. Farinola." Du kan ikke værdsætte skønheden i deres form og struktur. "

Under et mikroskop, du kan se porer eller en række kamme og højder. Disse markeringer fokuserer de bedste bølgelængder af lys til cellen til fotosyntese, mens du spreder eller filtrerer skadelige bølgelængder fra. Det gør dem til naturlige fotoniske strukturer, hvilket betyder, at de er i stand til at manipulere lys.

"Fotoniske krystaller bruges meget i laserteknologier, " sagde prof. Farinola, og han mener, at kiselalger kan inspirere forskere til at skabe nye fotoniske teknologier til lysdetektion, computer eller robotteknologi, for eksempel.

Som en del af BEEP -netværket, der udforsker bioinspirerede solhøstmaterialer, Prof. Farinola tager på en ph.d. studerende til at studere kiselalgerfotosyntese og skabe en bionisk kiselalger med et ekstra stykke lysindsamlingsudstyr - visse molekyler.

"Vi inkorporerer molekyler, som dækker en række bølgelængder, som kiselalgen ikke naturligt absorberer, " sagde prof. Farinola. Dette fungerer som en kunstig antenne til at absorbere ekstra lys og supercharge fotosyntese. Dette bør øge kiselalger vækst i en tank med havvand.

Prof. Farinolas forskning kan se specielle kiselalger dyrket til levering af lægemidler. Hans laboratorium i Bari kan enten ændre deres drivhuse efter at have fjernet cellen indeni, eller vedhæft et stof til diatomemad for at snige det ind i skallen. Hans gruppe hæftede antioxidantmolekyler på kiselalgernes skaller, der derefter fangede antibiotikummet ciprofloxacin, som potentielt kan leveres inde i en patient.

I et andet eksempel, levende kiselalger optog bisfosfonater, som er et lægemiddel velkendt for at forbedre knoglestatus hos osteoporosepatienter. "Så fjerner vi alt det levende stof, og vi har silica med bisfosfonat tilbage, "sagde prof. Farinola. Han forestiller sig at dække et implantat med disse silica -skaller for at stimulere knoglevækst efter operationen, selvom dette endnu ikke er forsøgt hos patienter.

Hans team ser også på, hvordan silica fra diatoméskaller kan bruges til at rense forskellige forurenende stoffer i miljøet. Forskerne dækkede skallerne af døde kiselalger med en speciel polymer (polydopamin) og satte sig fast på enzymer, som i princippet kunne bruges til at nedbryde forurenende stoffer, ifølge prof. Farinola.

Ved at samle biologer, alge eksperter, fysikere, syntetiske kemikere og nye forskere, BEEP har til formål at udforske, hvordan mikroorganismer kan hjælpe os med at generere nye teknologier.

"Vi ønsker at bryde grænsen mellem biologi, kemi og fysik i forbindelse med studier af planter, " sagde Dr. Vignolini, hvem koordinerer BEEP. Hun ser dette netværk og PlatMaSu som forhåbentlig muliggør nye, grønnere materialer, der opfylder sociale behov.

Pigment vs strukturel farve

Pigmentfarve absorberer og reflekterer forskellige bølgelængder af synligt lys, hver af dem svarer til en bestemt farve. Hvis en malet væg absorberer alle bølgelængder af lys undtagen blå, så vil væggen se blå ud. Kemiske pigmenter producerer en farve, der ser ens ud fra alle vinkler og vil falme over tid.

I modsætning, strukturel farve absorberer ikke lys, men i stedet reflekterer det fra strukturer som skalaer. Bølgelængden af ​​det reflekterede lys afhænger af objektets orientering og den vinkel, hvorfra beskueren ser det. Flerlagsstrukturer kan forårsage iriscens, som farven ændres afhængigt af synsvinklen. I modsætning til kemiske pigmenter, strukturel farve er modstandsdygtig over for falmning. Det er udbredt i den naturlige verden, og kan findes i kamæleoner og påfuglefjer.