Ptasie pióra inspiracją do odtworzenia świetlistych kolorów natury
Barwy strukturalne powstają w wyniku odbijania się światła od złożonych nanostruktur. W przyrodzie występują w ptasich piórach, owocach roślin lub zewnętrznych skorupach chrząszczy. Te nanostruktury często tworzą efekt ubarwienia strukturalnego, polegający na tym, że dany obiekt wydaje się mieć inny kolor w zależności od kąta obserwacji. To odróżnia je od pigmentów chemicznych dających kolory, które nie zmieniają się w przypadku oglądania ich pod różnymi kątami. Realizowany przy wsparciu ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) projekt SeSaMe ma na celu wytworzenie oraz optyczne scharakteryzowanie struktur fotonicznych z wykorzystaniem wyłącznie materiałów naturalnych. „Badając naturalne architektury, które wytwarzają barwy strukturalne, byliśmy w stanie zrozumieć ich konstrukcję i zreplikować je w laboratorium”, mówi stypendystka ERBN i kierowniczka naukowa projektu Silvia Vignolini. „Jednocześnie udało nam się odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące ich znaczenia biologicznego oraz zdobyć wgląd w niektóre procesy biologiczne zachodzące, gdy takie struktury powstają”. „Dzięki naszym badaniom lepiej rozumiemy, jak można wykorzystać celulozę jako materiał optyczny”, kontynuuje. Vignolini stwierdza, że najważniejszym wkładem, jaki naukowcy mogą wnieść do społeczeństwa, jest szkolenie doktorantów i postdoków w kierunku krytycznego myślenia i rozwiązywania złożonych problemów.
Zrozumienie powstawania struktury fotonicznej w przyrodzie
Interdyscyplinarne badania prowadzone w ramach projektu SeSaMe wywierają wpływ na różne dziedziny, od chemii i fizyki materii miękkiej po biologię ewolucyjną. Naukowcom udało się ustalić, w jaki sposób naturalna nanostruktura może wytwarzać szeroki zakres efektów optycznych. Takie prace prowadzone na naturalnych kolorach fotonicznych mają również istotne znaczenie dla przemysłu. Kontrolowanie barwy kolonii bakteryjnych za pomocą genetyki jest obecnie wykorzystywane przez Hoekmine, firmę biotechnologiczną z siedzibą w Holandii. Dzięki SeSaMe, Vignolini umocniła swoją pozycję czołowej ekspertki w dziedzinie biomimetyki. W 2018 i 2019 roku otrzymała kilka nagród naukowych za pracę nad materiałami optycznymi inspirowanymi biologicznie, wkład w materiałoznawstwo, celulozę i chemię materiałową oraz osiągnięcia w nanotechnologii i nanonaukach.
Nowe strategie mające na celu poprawę efektywności materiałów fotonicznych na bazie celulozy
„Jesteśmy pionierami w wykorzystaniu celulozy do produkcji struktur fotonicznych jako trwałych i biokompatybilnych pigmentów”, mówi Vignolini. Badania nad samoorganizacją celulozy w mikropłynnych kroplach, opatentowane i opublikowane w 2016 roku, zapewniły jej zespołowi pozycję lidera w tej dziedzinie. „Ta praca odbiła się szerokim echem w świecie nauki. Firmy z całego świata, a także utalentowani badacze z tytułem naukowym doktora, którzy dołączyli do mojej grupy, podążają tym torem badań i starają się wykorzystać nasze nowo opracowane pigmenty w produktach codziennego użytku”. Najnowszy efekt badań w projekcie SeSaMe to skuteczna i prosta metodologia tworzenia kolorowych folii z biokompatybilnej i jadalnej pochodnej celulozy, która jest zwykle wykorzystywana w bitej śmietanie i lodach jako substancja zagęszczająca. „Możemy użyć jadalnych i biokompatybilnych materiałów do produkcji kolorowych folii, co jest ważnym krokiem w kierunku przyszłego rozwoju barwników przy użyciu zrównoważonych materiałów”, wyjaśnia Vignolini. „Pilnie potrzebujemy bardziej zrównoważonych produktów, które nie szkodzą naszej planecie”, podsumowuje Vignolini. „Natura zaprojektowała i zoptymalizowała te materiały pod kątem konkretnych funkcji, więc jeśli dowiemy się, czym one są i jak je wytwarzać, będziemy mogli wykorzystać je dla prawdziwie zrównoważonej technologii". Znalezienie nowych sposobów wykorzystania zasobów naturalnych, takich jak polisacharydy, w wytwarzaniu materiałów funkcjonalnych jest kluczem do produkcji materiałów przyszłości.
Słowa kluczowe
SeSaMe, materiały, celuloza, struktury fotoniczne, materiały fotoniczne, pigment