Biller, der lever i mørke, lærer os, hvordan man laver bæredygtige farver
Inspireret af billens neglebånd har videnskabsmænd udviklet optiske strukturer, der kan producere levende, iriserende og fuldstændig biologisk nedbrydelige farver ved hjælp af kitin - verdens næststørste organiske materiale.
"Ekstreme knaphedsforhold har gjort det muligt for naturlige materialer at udvikle sig til nogle af de mest ekstraordinære materialer på Jorden, såsom utrolig stærk edderkoppesilke og slagfaste muslingeskaller," siger Javier Fernandez, lektor ved Singapore University of Technology and Design (SUTD).
Gennem historien har forskere konsekvent henvendt sig til naturen for at få inspiration til at løse problemer og udvikle nye teknologier, fra da Vincis flyvemaskiner efter fugle til effektive badedragter, der efterligner hajhud.
For et årti siden foreslog professor Fernandez at bruge naturen som ikke kun en inspirationskilde for materialevidenskab, men som en plan for, hvordan naturlige molekyler skal organiseres for at genskabe de ekstraordinære egenskaber ved naturlige materialer. "At matche naturlige molekyler med deres oprindelige organisation muliggør deres brug uden ændringer, hvilket resulterer i materialer, der forbliver fuldt integreret i de naturlige økologiske kredsløb," tilføjede han.
Assoc Prof Fernandez' forskning i bioinspireret teknik fokuserer på kitin. Som Jordens næstmest rigelige organiske molekyle er kitin fornybart og en del af enhver økologisk cyklus. Det er også det materiale, naturen bruger til at producere nogle af sine mest exceptionelle strukturer, såsom et insekts lette og stive vinger, en muslingeskals hårde ydre og en sommerfugls bemærkelsesværdige farver. Derfor har styring af det brede implikationer inden for teknik på grund af dets alsidighed og bæredygtighed.
I en tidligere undersøgelse fandt professor Fernandez og hans team ud af, at isoleret kitin kan aggregere og skabe stærke materialer, samtidig med at dets optiske funktion bevares. Deres seneste undersøgelse, "Storskala kunstig produktion af coleoptera kutikula iridescens og dens anvendelse i konforme biologisk nedbrydelige belægninger" byggede på disse resultater ved at lære fra biller, hvordan man effektivt bruger kitin til at producere farve i store skalaer. De lærte det dog ikke af farverige biller.
Mens biller, der lever på planter, bruger komplekse strukturer til at producere levende og iriserende farver til mange opgaver, fra at kommunikere information til forvirrende rovdyr, producerer nogle mørkefarvede arter, der lever i skjulte/mørke omgivelser, svage farverefleksioner uden tilsyneladende brug for dem. Det er denne mekanisme, der interesserer assoc prof Fernandez, da den involverer simple strukturer, der let kan implementeres i fremstillingsprocesser.
Biller, der lever i mørke omgivelser, har deres eksoskelet dækket af kitinfolder, som hjælper dem med at bevæge sig let gennem mudder og fugtige områder. Interessant nok, når disse folder kombineres med den melaninrige baggrund, der er ansvarlig for deres mørke farve, bliver deres neglebånd iriserende og reflekterer forskellige farver, når de udsættes for lys.
Forskerne fandt ud af, at foldernes periodicitet ikke er naturligt optimeret til at producere farve. Holdet kunne dog optimere det kunstigt og var i stand til med denne forenklede mekanisme at producere iriserende kitinfarver, der kan sammenlignes med dem, der genereres af de komplekse strukturer af de farvestrålende biller, der lever på blade.
Denne enkle konstruktion gjorde det muligt for holdet på kun et år at opskalere produktionen af farve fra mikroskopiske prøver, der blev brugt som proof of concept, til A4-størrelse film, det største eksempel på strukturel farve produceret med dets oprindelige molekyle til dato. Disse resultater er ikke kun væsentlige i teorien, men også teknologisk relevante.
"Da kitin er FDA-godkendt til medicinsk og kosmetisk brug, giver det et sundheds- og miljøvenligt alternativ til syntetiske materialer, der bruges i disse applikationer," forklarede professor Fernandez. Ud over deres tidligere resultater med at bruge kitin til at producere forbrugsvarer lokalt forventer teamet at inkorporere farve strukturelt i generel fremstilling, hvilket fjerner behovet for at inkludere kunstige farvestoffer.
Fremadrettet ser professor Fernandez bioinspireret fremstilling som en gensidigt fordelagtig synergi mellem biologi og teknologi, der muliggør den teknologiske brug af nye materialer baseret på biologiske designs og hjælper forskere med at skabe kontrollerede modeller til bedre at forstå biologiske systemer.
Forskningen er publiceret i tidsskriftet Advanced Engineering Materials .
Flere oplysninger: Akshayakumar Kompa et al., Kunstig produktion i stor skala af Coleoptera Cuticle Iridescence og dens anvendelse i konforme biologisk nedbrydelige belægninger, avancerede tekniske materialer (2024). DOI:10.1002/adem.202301713
Leveret af Singapore University of Technology and Design
Varme artikler
-
Multiplekse biosensorer til gavn for sundhedsvæsenetForskere er ved at udvikle en række diagnostiske værktøjer med små halvlederkrystaller, kendt som kvanteprikker, og farvestofbelagte silicananopartikler. Kredit:Dzmitry Melnikau / 123rf Hurtig, om -
Materialer kan forsinke frost op til 300 gange længere tid end eksisterende belægninger mod isdann…Vand kondenserer ved faseskiftende væske. Kredit:Rukmava Chatterjee. De fleste teknikker til forebyggelse af frost- og isdannelse på overflader er stærkt afhængige af opvarmning eller flydende kem -
Kemikere udvikler hydrogelstrenge ved hjælp af forbindelse fundet i havdyrRice University kemikere brugte klæbeevnen af en forbindelse fundet i muslinger og forskydningskraft til at hjælpe en nanoskala, multidomæne peptid, set øverst, samles selv til et fiberbundt, der ka -
Stimulering af følesansen med kemiBlot ved berøring kan folk skelne mellem overflader kun baseret på mindre kemiske forskelle. Kredit:Charles Dhong Vores øjne kan være vinduer på verden, men vores fingerspidser sætter os i kontakt
- Supramolekylært klæbemiddel med anvendeligt temperaturområde på 400 grader Celsius
- Dynamisk interaktiv bitvis metaholografi med ultra-høje beregnings- og skærmbilleder
- Fysikere kontrollerer overgange mellem forskellige materielle tilstande
- Varmebehandling giver præcis kontrol over katalytisk aktivitet af metalsulfidnanopartikler
- Hvordan ved planterne, hvor store de skal vokse?
- Tilfældet med de uklare filtre:Løsning af mysteriet med de nedværdigende sollysdetektorer