Wetenschap
Kevers die in het donker leven, leren ons hoe we duurzame kleuren kunnen maken
Geïnspireerd door de nagelriemen van kevertjes hebben wetenschappers optische structuren ontwikkeld die levendige, iriserende en volledig biologisch afbreekbare kleuren kunnen produceren met behulp van chitine, het op een na meest voorkomende organische materiaal ter wereld.
“Extreme schaarsteomstandigheden hebben het mogelijk gemaakt dat natuurlijke materialen zijn geëvolueerd tot enkele van de meest bijzondere materialen op aarde, zoals ongelooflijk sterke spinnenzijde en slagvaste schelpen”, zegt Javier Fernandez, universitair hoofddocent aan de Singapore University of Technology and Design (SUTD).
Door de geschiedenis heen hebben wetenschappers zich consequent tot de natuur gewend voor inspiratie om problemen op te lossen en nieuwe technologieën te ontwikkelen, van da Vinci's vliegmachines gemodelleerd naar vogels tot efficiënte badpakken die haaienhuid nabootsen.
Tien jaar geleden stelde Assoc Prof Fernandez voor om de natuur niet alleen te gebruiken als inspiratiebron voor de materiaalwetenschap, maar ook als blauwdruk van hoe natuurlijke moleculen moeten worden georganiseerd om de buitengewone eigenschappen van natuurlijke materialen te recreëren. "Het matchen van natuurlijke moleculen met hun oorspronkelijke organisatie maakt hun gebruik zonder wijziging mogelijk, wat resulteert in materialen die volledig geïntegreerd blijven in de natuurlijke ecologische cycli", voegde hij eraan toe.
Het onderzoek van Assoc Prof. Fernandez op het gebied van bio-geïnspireerde engineering richt zich op chitine. Als het op een na meest voorkomende organische molecuul op aarde is chitine hernieuwbaar en onderdeel van elke ecologische cyclus. Het is ook het materiaal dat de natuur gebruikt om enkele van zijn meest uitzonderlijke structuren te produceren, zoals de lichte en stijve vleugels van een insect, de stoere buitenkant van een zeeschelp en de opmerkelijke kleuren van een vlinder. Daarom heeft het beheersen ervan brede implicaties voor de techniek vanwege de veelzijdigheid en duurzaamheid ervan.
In een eerdere studie ontdekten Assoc Prof. Fernandez en zijn team dat geïsoleerde chitine kan aggregeren en sterke materialen kan creëren, terwijl de optische functie behouden blijft. Hun nieuwste onderzoek, "Grootschalige kunstmatige productie van coleoptera cuticula irisatie en het gebruik ervan in conforme biologisch afbreekbare coatings", bouwde voort op deze resultaten door van kevers te leren hoe ze chitine efficiënt kunnen gebruiken om op grote schaal kleur te produceren. Ze hebben het echter niet van kleurrijke kevers geleerd.
Terwijl kevers die op planten leven, complexe structuren gebruiken om voor veel taken levendige en iriserende kleuren te produceren, van het communiceren van informatie tot verwarrende roofdieren, produceren sommige donkergekleurde soorten die in verborgen/donkere omgevingen leven vage kleurreflecties zonder dat ze daar duidelijk nut voor hebben. Het is dit mechanisme dat Assoc Prof Fernandez interesseert, omdat het om eenvoudige structuren gaat die gemakkelijk in productieprocessen kunnen worden geïmplementeerd.
Kevers die in donkere omgevingen leven, hebben hun exoskelet bedekt met chitineplooien, waardoor ze gemakkelijk door modder en vochtige gebieden kunnen bewegen. Interessant is dat wanneer deze plooien worden gecombineerd met de melaninerijke achtergrond die verantwoordelijk is voor hun donkere kleur, hun nagelriemen iriserend worden en verschillende kleuren reflecteren bij blootstelling aan licht.
De onderzoekers ontdekten dat de periodiciteit van de vouwen op natuurlijke wijze niet is geoptimaliseerd om kleur te produceren. Het team kon het echter kunstmatig optimaliseren en kon met dit vereenvoudigde mechanisme iriserende chitineuze kleuren produceren die vergelijkbaar zijn met de kleuren die worden gegenereerd door de complexe structuren van de felgekleurde kevers die op bladeren leven.
Dankzij deze eenvoudige constructie kon het team in slechts één jaar de productie van kleur opschalen van microscopische monsters die als proof of concept werden gebruikt, naar films op A4-formaat, het grootste voorbeeld van structurele kleur die tot nu toe met het oorspronkelijke molecuul werd geproduceerd. Deze resultaten zijn niet alleen in theorie significant, maar ook technologisch relevant.
"Aangezien chitine door de FDA is goedgekeurd voor medisch en cosmetisch gebruik, biedt het een gezondheids- en milieuvriendelijk alternatief voor synthetische materialen die in deze toepassingen worden gebruikt", legt Assoc Prof. Fernandez uit. Naast hun eerdere resultaten op het gebied van het gebruik van chitine om verbruiksartikelen lokaal te produceren, verwacht het team kleur structureel te integreren in de algemene productie, waardoor de noodzaak om kunstmatige kleurstoffen toe te voegen overbodig wordt.
In de toekomst beschouwt Assoc Prof Fernandez bio-geïnspireerde productie als een wederzijds voordelige synergie tussen biologie en technologie, waardoor het technologische gebruik van nieuwe materialen op basis van biologische ontwerpen mogelijk wordt en onderzoekers worden geholpen gecontroleerde modellen te creëren om biologische systemen beter te begrijpen.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Engineering Materials .