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Nachbildung der leuchtenden Farben der Natur durch Nachahmung von Vogelfedern

Schillernde Farben, wie sie auf holographischen Wasserzeichen auf Ausweisdokumenten zu finden sind, gibt es bereits seit 20 Jahren, sie waren jedoch auf Anwendungen wie Sicherheit und Kosmetik beschränkt. Eine EU-Initiative will nun eine bahnbrechende Methodik einführen, mit der die Herstellung solcher Pigmente nur unter Verwendung natürlicher Materialien wie Zellulose und Chitin – den beiden am häufigsten vorkommenden Biopolymeren der Erde – ermöglicht wird.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Strukturfarben entstehen durch die Reflexion von Licht an komplexen Nanostrukturen. In der Natur kommen sie bei Vogelfedern, Früchten von Pflanzen oder Außenschalen von Käfern vor. Diese Nanostrukturen erzeugen häufig schillernde Farben, sodass ein Objekt je nach Betrachtungswinkel eine andere Farbe hat. Im Gegensatz dazu erzeugen chemische Pigmente Farben, die sich bei Betrachtung aus verschiedenen Winkeln nicht verändern. Mithilfe finanzieller Förderung durch die EU im Rahmen eines Zuschusses des Europäischen Forschungsrates (EFR) will das Projekt SeSaMe photonische Strukturen ausschließlich aus natürlichen Materialien herstellen und optisch charakterisieren. „Durch die Erforschung natürlicher Architekturen, die Strukturfarben erzeugen, konnten wir ihren Aufbau nachvollziehen und sie im Labor ‚nachahmen‘“, so die EFR-Stipendiatin und Hauptforscherin Silvia Vignolini. „Gleichzeitig konnten wir grundlegende Fragen zu ihrer biologischen Bedeutung beantworten und mehr über einige der biologischen Prozesse erfahren, die bei der Erzeugung solcher Strukturen ablaufen.“ „Mit unserem Verständnis darüber, wie Zellulose als optisches Material genutzt werden kann, haben wir zum aktuellen Wissensstand beigetragen“, fährt sie fort. Laut Vignolini besteht der wichtigste Beitrag, den die Wissenschaft für die Gesellschaft leisten kann, darin, Doktorandinnen und Doktoranden sowie Promovierte heranzuziehen und auszubilden, damit sie über komplexe Probleme kritisch nachdenken und sie lösen können.

Bildung photonischer Strukturen in der Natur besser verstehen

Die interdisziplinären Forschungsaktivitäten von SeSaMe haben sich auf die verschiedensten Bereiche ausgewirkt, von der Chemie und der Physik der weichen Materie bis hin zur Evolutionsbiologie. Die Forschenden erlangten ein Verständnis darüber, wie die natürliche Nanostruktur eine Vielzahl von optischen Effekten erzeugen kann. Solche Arbeiten zu natürlichen photonischen Farben haben jedoch auch Auswirkungen auf industrielle Anwendungen. Die Ergebnisse aus der genetischen Kontrolle der Farbe von Bakterienkolonien kommen beispielsweise nun bei Hoekmine, einem Biotechnologie-Unternehmen aus den Niederlanden, zum Einsatz. Des Weiteren konnte sich Vignolini dank SeSaMe als eine der führende Sachverständige im Bereich der Bionik etablieren. In den Jahren 2018 und 2019 erhielt sie mehrere Auszeichnungen für wissenschaftliche Verdienste für ihre Arbeit an biologisch inspirierten optischen Materialien, Beiträge zur Materialwissenschaft, Zellulose- und Materialchemie sowie für ihre Leistungen in der Nanotechnologie und Nanowissenschaft.

Neuartige Strategien zur Verbesserung der Leistung photonischer Materialien auf Zellulosebasis

„Wir haben Pionierarbeit bei der Verwendung von Zellulose zur Herstellung photonischer Strukturen als nachhaltige und biokompatible Pigmente geleistet“, sagt Vignolini. Die 2016 patentierte und veröffentlichte Forschungsarbeit zur Selbstorganisation von Zellulose in mikrofluidischen Tröpfchen brachte ihr Team an die Spitze dieses Bereichs. „Diese Arbeit hatte einen großen Einfluss nach Außen. Unternehmen auf der ganzen Welt sowie talentierte Postdoktoranden, die sich meiner Gruppe angeschlossen haben, verfolgen dieses Vorhaben und versuchen, unsere neu entwickelten Pigmente in Alltagsprodukten einzusetzen.“ Das neueste Ergebnis von SeSaMe ist eine robuste und einfache Methode zur Herstellung von Farbfilmen aus einem biokompatiblen und essbaren Zellulosederivat, das normalerweise in Schlagsahne und Eiscreme als Verdickungsmittel verwendet wird. „Wir können essbare und biokompatible Materialien zur Herstellung von Farbfilmen verwenden, was ein wichtiger Schritt für die zukünftige Entwicklung von Farbstoffen unter Verwendung nachhaltiger Materialien ist“, erklärt Vignolini. „Wir brauchen dringend nachhaltigere Produkte, die unserem Planeten keinen Schaden zufügen“, so Vignolini abschließend. „Die Natur hat diese Materialien zur Ausführung bestimmter Funktionen entworfen und optimiert. Wenn wir also herausfinden, was diese sind und wie sie hergestellt werden, können wir die Materialien für eine durch und durch nachhaltige Technologie nutzen.“ Die Suche nach neuen Wegen zur Nutzung natürlicher Ressourcen wie Polysaccharide bei der Produktion funktioneller Materialien ist der Schlüssel zur Herstellung der Materialien der Zukunft.

Schlüsselbegriffe

SeSaMe, Materialien, Zellulose, photonische Strukturen, photonische Materialien, Pigment

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