Nye nanomaterialer inspireret af fuglefjer leger med lys for at skabe farve

Inspireret af den måde, hvorpå iriserende fuglefjer leger med lys, videnskabsmænd har skabt tynde film af materiale i en bred vifte af rene farver - fra rød til grøn - med nuancer bestemt af fysisk struktur snarere end pigmenter.

Strukturel farve opstår fra lysets interaktion med materialer, der har mønstre på en lille skala, som bøjer og reflekterer lys for at forstærke nogle bølgelængder og dæmpe andre. Melanosomer, små pakker melanin fundet i fjerene, hud og pels fra mange dyr, kan producere strukturel farve, når den pakkes i faste lag, som de er i nogle fugles fjer.

"Vi syntetiserede og samlede nanopartikler af en syntetisk version af melanin for at efterligne de naturlige strukturer, der findes i fuglefjer, " sagde Nathan Gianneschi, professor i kemi og biokemi ved University of California, San Diego. "Vi vil gerne forstå, hvordan naturen bruger materialer som dette, derefter at udvikle funktion, der går ud over, hvad der er muligt i naturen."

Gianneschis arbejde fokuserer på nanopartikler, der kan sanse og reagere på miljøet. Han foreslog projektet efter at have hørt Matthew Shawkey, en biologiprofessor ved University of Akron, beskrive hans arbejde med den strukturelle farve i fuglefjer på en konference. Gianneschi, Shawkey og kolleger på begge universiteter rapporterer frugterne af det resulterende samarbejde i tidsskriftet ACS Nano , lagt online 12. maj.

For at efterligne naturlige melanosomer, Yiwen Li, en postdoc i Gianneschis laboratorium, kemisk forbundet med et lignende molekyle, dopamin, i masker. De tilknyttede, eller polydopamin, kuglet op til sfæriske partikler af næsten ensartet størrelse. Ming Xiao, en kandidatstuderende, der arbejder med Shawkey og polymervidenskabsprofessor Ali Dhinojwala ved University of Akron, tørrede forskellige koncentrationer af partiklerne for at danne tynde film af tætpakkede polydopaminpartikler.

Filmene reflekterer rene lysfarver; rød, orange, gul og grøn, med farvetone bestemt af tykkelsen af ​​polydopaminlaget og hvor tæt partiklerne er pakket, som relaterer sig til deres størrelse, analyse af Shawkeys gruppe bestemt.

Farverne er usædvanligt ensartede på tværs af filmene, ifølge præcise målinger af Dimitri Deheyn, en forsker ved UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography, der studerer, hvordan en lang række organismer bruger lys og farve til at kommunikere. "Denne rumlige kortlægning af spektre fortæller dig også om farveændringer forbundet med ændringer i størrelsen eller dybden af ​​partiklerne, " sagde Deheyn.

Materialets kvaliteter bidrager til dets potentielle anvendelse. Ren farvetone er en værdifuld egenskab i kolorimetriske sensorer. Og i modsætning til pigmentbaserede malinger eller farvestoffer, strukturel farve falmer ikke. polydopamin, som melanin, absorberer UV-lys, så belægninger lavet af polydopamin kunne også beskytte materialer. Dopamin er også et biologisk molekyle, der bruges til at overføre information i vores hjerner, for eksempel, og derfor biologisk nedbrydeligt.

"Det, der har holdt mig fascineret i 15 år, er ideen om, at man kan generere farver på tværs af regnbuen gennem små (nanometerskala) ændringer i strukturen, " sagde Shawkey, hvis interesser spænder fra de fysiske mekanismer, der producerer farver til, hvordan strukturerne vokser i levende organismer. "Denne idé om biomimik kan hjælpe med at løse praktiske problemer, men gør os også i stand til at teste de mekanistiske og udviklingsmæssige hypoteser, vi har foreslået, " han sagde.

Naturlige melanosomer fundet i fuglefjer varierer i størrelse og især form, danner stænger og kugler, der kan være massive eller hule. Det næste trin er at variere formerne af nanopartikler af polydopamin for at efterligne denne sort for eksperimentelt at teste, hvordan størrelse og form påvirker partiklens interaktion med lys, og derfor farven på materialet. Ultimativt, holdet håber at generere en palet af biokompatible, strukturel farve.