Geïnspireerd door de manier waarop iriserende vogelveren spelen met licht, wetenschappers hebben dunne films van materiaal gemaakt in een breed scala aan pure kleuren - van rood tot groen - met tinten die worden bepaald door fysieke structuur in plaats van pigmenten.

Structurele kleur ontstaat door de interactie van licht met materialen met patronen op een kleine schaal, die licht buigen en reflecteren om sommige golflengten te versterken en andere te dempen. Melanosomen, kleine pakjes melanine in de veren, huid en vacht van veel dieren, kan structurele kleur produceren wanneer verpakt in stevige lagen, zoals ze in de veren van sommige vogels zitten.

"We hebben nanodeeltjes van een synthetische versie van melanine gesynthetiseerd en geassembleerd om de natuurlijke structuren in vogelveren na te bootsen, " zei Nathan Gianneschi, een professor in de chemie en biochemie aan de Universiteit van Californië, San Diego. "We willen begrijpen hoe de natuur dit soort materialen gebruikt, om vervolgens een functie te ontwikkelen die verder gaat dan wat in de natuur mogelijk is."

Gianneschi's werk richt zich op nanodeeltjes die de omgeving kunnen voelen en erop reageren. Hij stelde het project voor nadat hij Matthew Shawkey had gehoord, een biologieprofessor aan de Universiteit van Akron, beschreef zijn werk aan de structurele kleur in vogelveren op een conferentie. Gianneschi, Shawkey en collega's van beide universiteiten rapporteren de vruchten van de resulterende samenwerking in het tijdschrift ACS Nano , online gezet op 12 mei.

Om natuurlijke melanosomen na te bootsen, Yiwen Li, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Gianneschi, chemisch verbonden een gelijkaardig molecuul, dopamine, in mazen. de gekoppelde, of polydopamine, opgerold tot bolvormige deeltjes van bijna uniforme grootte. Ming Xiao, een afgestudeerde student die werkt met Shawkey en professor polymeerwetenschap Ali Dhinojwala aan de Universiteit van Akron, verschillende concentraties van de deeltjes gedroogd om dunne films van dicht opeengepakte polydopaminedeeltjes te vormen.

De films reflecteren pure lichtkleuren; rood, Oranje, geel en groen, met tint bepaald door de dikte van de polydopaminelaag en hoe dicht de deeltjes verpakt, die betrekking hebben op hun grootte, analyse door de groep van Shawkey bepaald.

De kleuren zijn uitzonderlijk uniform over de films, volgens nauwkeurige metingen door Dimitri Deheyn, een onderzoekswetenschapper aan de Scripps Institution of Oceanography van UC San Diego die bestudeert hoe een grote verscheidenheid aan organismen licht en kleur gebruiken om te communiceren. "Deze ruimtelijke mapping van spectra vertelt je ook over kleurveranderingen die verband houden met veranderingen in de grootte of diepte van de deeltjes, ' zei Deheyn.

De kwaliteiten van het materiaal dragen bij aan de mogelijke toepassing ervan. Pure tint is een waardevolle eigenschap in colorimetrische sensoren. En in tegenstelling tot verven of kleurstoffen op pigmentbasis, structurele kleur zal niet vervagen. Polydopamine, zoals melanine, absorbeert UV-licht, dus coatings gemaakt van polydopamine kunnen ook materialen beschermen. Dopamine is ook een biologisch molecuul dat wordt gebruikt om informatie door te geven in onze hersenen, bijvoorbeeld, en dus biologisch afbreekbaar.

"Wat me al 15 jaar fascineert, is het idee dat je kleuren over de regenboog kunt genereren door kleine (nanometerschaal) veranderingen in structuur, " zei Shawkey wiens interesses variëren van de fysieke mechanismen die kleuren produceren tot hoe de structuren groeien in levende organismen. "Dit idee van biomimicry kan helpen bij het oplossen van praktische problemen, maar stelt ons ook in staat om de mechanistische en ontwikkelingshypothesen die we hebben voorgesteld te testen, " hij zei.

Natuurlijke melanosomen die in vogelveren worden aangetroffen, variëren in grootte en in het bijzonder van vorm, het vormen van staven en bollen die massief of hol kunnen zijn. De volgende stap is om de vormen van nanodeeltjes van polydopamine te variëren om die variëteit na te bootsen om experimenteel te testen hoe grootte en vorm de interacties van het deeltje met licht beïnvloeden, en daarmee de kleur van het materiaal. uiteindelijk, hoopt het team een ​​palet van biocompatibele, structurele kleur.