Het kleurenspel van marmerbessen en de slimme, lichtbuigende perforaties van microalgen inspireren wetenschappers om biologisch afbreekbare glitter- en make-uppigmenten te maken, en bionische algen om te gebruiken in lasers of om verontreinigende stoffen te reinigen.

De natuur heeft miljoenen jaren besteed aan het ontwikkelen van antwoorden op problemen. Het heeft ingenieuze oplossingen bedacht om sterke constructies te bouwen, energie oogsten en iriserende kleuren produceren. Wetenschappers wenden zich steeds meer tot de natuurlijke wereld voor inspiratie om nieuwe, groenere materialen en technologieën.

In het laboratorium van Dr. Silvia Vignolini aan de Universiteit van Cambridge, VK, wetenschappers ontwerpen biologisch afbreekbare glitter en natuurlijke kleurstoffen voor voedselkleuring en cosmetica als onderdeel van een project genaamd PlaMatSu.

Om dit te doen, ze gebruiken cellulose - een natuurlijke vezel die bomen en planten kracht en stijfheid geeft, gebruikt voor het maken van papier. "Het is het meest voorkomende materiaal dat we op aarde hebben, " zei Dr. Vignolini. "Iedereen denkt aan zijn kracht, maar niet iedereen weet dat je cellulose kunt gebruiken om pigmenten te maken."

Pure cellulose is sneeuwwit. Om kleuren te toveren, Dr. Vignolini kerft minuscule vormen uit cellulose waar het licht als felle kleuren tegen weerkaatst - iets dat structurele kleur wordt genoemd.

"Door materiaal op nanoschaal te structureren, licht interageert ermee op een manier die kleur creëert, " Dr. Vignolini zei - denk aan de tinten die zeepbellen genereren door licht te buigen, of de kleurrijke vleugels van een vlinder. In deze voorbeelden kleur verandert afhankelijk van de kijkhoek.

Dr. Vignolini liet zich inspireren door de iriserende kleuren van de natuurlijke wereld, veroorzaakt door de structuur van een materiaal in plaats van door de aanwezigheid van pigmenten. De glanzende metaalblauwe vrucht van marmerbes (Pollia condensaat) is een van de meest opvallende voorbeelden die Dr. Vignolini heeft bestudeerd, met kleurreflectie die verandert tussen cellen en de vrucht een glinsterende uitstraling geeft. Een ander voorbeeld is de Cyphochilus kever, waarvan ze ontdekte dat het witter is dan papier, dankzij ultradunne schubben die alle kleuren afbuigen.

Structurele kleur

Het laboratorium van Dr. Vignolini heeft structurele kleur gebruikt om volledig biologisch afbreekbare pigmenten en glitter te maken, die kan worden gebruikt in make-up of als confetti, bijvoorbeeld. Conventionele glitter is gemaakt van polymeer microdeeltjes, terwijl de glitter van Dr. Vignolini alleen is gemaakt van speciaal gevormde cellulose.

"Dit is gemaakt van hetzelfde materiaal dat in elke celwand van planten zit. Het maakt 40% van een salade, " zei Dr. Vignolini over haar glitter. "Het is niet schadelijk als het in het milieu terechtkomt, en het is ook eetbaar."

Ze werkt samen met cosmeticabedrijven om plantaardige, biologisch afbreekbare pigmenten, ook voor make-up en huidverzorging.

Ze werkt ook aan nieuwe structurele kleurstoffen uit organisch afval, terwijl de voedingsindustrie werkt aan het vervangen van synthetische kleurstoffen. "We kunnen de overgebleven spullen van papierproductieprocessen gebruiken, of landbouwafval, zoals mango- of bananenschil, die rijk is aan cellulose, en gebruik het dan om te kleuren, " zei dr. Vignolini.

Anderen in het PlaMatSu-netwerk kijken verder dan kleur om oppervlakte-ideeën uit de natuur in te zetten. Teams aan de Universiteit van Freiburg, Duitsland, en Universiteit van Fribourg, Zwitserland, kijken hoe ruwe plantenoppervlakken insecten afschrikken. Ze zouden biologisch afbreekbare materialen kunnen maken die kunnen worden gespoten om te voorkomen dat insecten zich voeden met een gewas of muren om insecten af ​​te schrikken.

Voor professor Gianluca Maria Farinola aan de Universiteit van Bari, Italië, een synthetisch chemicus, de prachtige licht-manipulerende structuren van kleine algen, diatomeeën genaamd, hebben vele mogelijke toepassingen.

Hij heeft moleculen en nanostructuren onderzocht voor LED-technologieën, zonnecellen en optische apparaten. Tijdens het lesgeven aan studenten milieuwetenschappen, hij kwam diatomeeën tegen. Hij raakte geïnspireerd om bionische algen te maken die licht kunnen manipuleren voor lasertechnologieën of om medicijnen te leveren.

Diatomeeën

Diatomeeën zijn eencellige algen, elk omhuld met silica, hun eigen glazen huis. Deze kunnen waaiervormig of staafvormig zijn, zigzag, circulaire, of driehoekig. "Het zijn prachtige natuurlijke objecten die kunstenaars hebben geïnspireerd, modeontwerpers en architecten, " zei Prof. Farinola. Ze komen voor in zeeën, meren en vijvers en produceren ten minste 20% van de zuurstof die we inademen.

"De grootste soort is met het blote oog te zien, maar alleen als kleine puntjes, " zei Prof. Farinola. "Je kunt de schoonheid van hun vorm en structuur niet waarderen."

Onder een microscoop, u kunt poriën of een verscheidenheid aan richels en verhogingen zien. Deze markeringen richten de beste golflengten van licht op de cel voor fotosynthese, terwijl schadelijke golflengten worden verstrooid of weggefilterd. Het maakt ze natuurlijke fotonische structuren, wat betekent dat ze in staat zijn om licht te manipuleren.

"Fotonische kristallen worden veel gebruikt in lasertechnologieën, " zei prof. Farinola, en hij gelooft dat diatomeeën onderzoekers kunnen inspireren om nieuwe fotonische technologieën te creëren voor lichtdetectie, computergebruik of robotica, bijvoorbeeld.

Als onderdeel van het BEEP-netwerk dat bio-geïnspireerde materialen voor zonne-oogst onderzoekt, Prof. Farinola neemt een Ph.D. student om diatomeeënfotosynthese te bestuderen en een bionische diatomee te maken met een extra stuk lichtverzamelende apparatuur - bepaalde moleculen.

"We nemen moleculen op die een reeks golflengten bestrijken die de diatomeeën van nature niet absorberen, " zei prof. Farinola. Dit fungeert als een kunstmatige antenne om extra licht te absorberen en de fotosynthese te superchargeren. Dit zou de groei van diatomeeën in een tank met zeewater moeten stimuleren.

In het onderzoek van prof. Farinola kunnen speciale diatomeeën worden gekweekt voor het afleveren van medicijnen. Zijn lab in Bari kan hun kassen aanpassen nadat ze de cel erin hebben verwijderd, of bevestig een substantie aan diatomeeënvoedsel om het in de schaal te sluipen. Zijn groep bevestigde antioxidantmoleculen op de schelpen van diatomeeën die vervolgens het antibioticum ciprofloxacine vasthielden, die mogelijk in een patiënt kan worden afgeleverd.

In een ander voorbeeld, levende diatomeeën namen bisfosfonaten op, dat is een medicijn dat bekend staat voor het verbeteren van de botstatus bij osteoporosepatiënten. "We verwijderen dan alle levende materie en we hebben silica met bisfosfonaat over, " zei prof. Farinola. Hij stelt zich voor een implantaat te bedekken met deze silica-omhulsels om de botgroei na een operatie te stimuleren, hoewel dit nog niet is geprobeerd bij patiënten.

Zijn team bekijkt ook hoe silica uit diatomeeënschillen kan worden gebruikt om verschillende verontreinigende stoffen in het milieu op te ruimen. De onderzoekers bedekten de schillen van dode diatomeeën met een speciaal polymeer (polydopamine) en plakten op enzymen die in principe zouden kunnen worden gebruikt om verontreinigende stoffen af ​​te breken, volgens prof. Farinola.

Door biologen samen te brengen, algen experts, natuurkundigen, synthetische chemici en opkomende onderzoekers, BEEP wil onderzoeken hoe micro-organismen ons kunnen helpen bij het genereren van nieuwe technologieën.

"We willen de grens tussen biologie, scheikunde en natuurkunde in het kader van het bestuderen van planten, " zei Dr. Vignolini, wie coördineert BEEP. Ze ziet in dit netwerk en PlatMaSu hopelijk nieuwe, groenere materialen die voorzien in maatschappelijke behoeften.

Pigment versus structurele kleur

Pigmentkleur absorbeert en reflecteert verschillende golflengten van zichtbaar licht, die elk overeenkomen met een bepaalde kleur. Als een geverfde muur alle golflengten van het licht absorbeert, behalve blauw, dan ziet de muur er blauw uit. Chemische pigmenten produceren een kleur die er vanuit alle hoeken hetzelfde uitziet en na verloop van tijd zal vervagen.

In tegenstelling tot, structurele kleur absorbeert geen licht, maar weerspiegelt het in plaats daarvan vanuit structuren zoals schalen. De golflengte van het gereflecteerde licht hangt af van de oriëntatie van het object en de hoek van waaruit de kijker het ziet. Meerlagige structuren kunnen irisatie veroorzaken, omdat de kleur verandert afhankelijk van de kijkhoek. In tegenstelling tot chemische pigmenten, structurele kleur is bestand tegen vervaging. Het is wijdverbreid in de natuurlijke wereld, en is te vinden in kameleons en pauwenveren.