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Sustainable routes for Smart photonic Materials

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Recreación de los colores brillantes de la naturaleza imitando las plumas de las aves

Los colores iridiscentes, como los que encontramos en las marcas de agua holográficas de los documentos de identidad, llevan empleándose durante los últimos veinte años, pero se han limitado a aplicaciones como la seguridad y los cosméticos. El objetivo de una iniciativa de la Unión Europea es desarrollar una metodología revolucionaria que permita la producción de dichos pigmentos utilizando únicamente compuestos naturales como la celulosa y la quitina, los dos biopolímeros más abundantes en la Tierra.

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Los colores estructurales surgen del reflejo de la luz en nanoestructuras complejas. En la naturaleza, pueden encontrarse en las plumas de las aves, las frutas de las plantas o el exoesqueleto de los escarabajos. Estas nanoestructuras producen, a menudo, coloraciones iridiscentes en las que un objeto se ve de un color diferente dependiendo del ángulo de observación. Esto contrasta con los pigmentos químicos, que producen colores que no cambian cuando se observan desde ángulos diferentes. El proyecto SeSaMe, financiado con fondos europeos a través de una subvención del Consejo Europeo de Investigación (CEI), se ha propuesto fabricar y caracterizar ópticamente estructuras fotónicas empleando únicamente compuestos naturales. Silvia Vignolini, beneficiaria de la subvención del CEI e investigadora principal, comenta: «Al estudiar arquitecturas naturales que generan colores estructurales, logramos comprender su diseño e “imitarlas” en el laboratorio. Al mismo tiempo, respondimos a preguntas fundamentales sobre su importancia biológica y obtuvimos información sobre algunos de los procesos biológicos que actúan cuando se generan tales estructuras». La investigadora añade: «Contribuimos al conocimiento al dilucidar cómo la celulosa puede emplearse como material óptico». Vignolini afirma que la contribución más importante que los científicos pueden brindar a la sociedad es formar a investigadores pre y posdoctorales para pensar de manera crítica y resolver problemas complejos.

Comprensión de la formación de estructuras fotónicas en la naturaleza

La actividad de investigación interdisciplinaria de SeSaMe ha repercutido en varios campos del cocimiento, desde la química y la física de la materia blanda hasta la biología evolutiva. Los científicos lograron comprender cómo las nanoestructuras naturales pueden generar una amplia gama de efectos ópticos. Este trabajo sobre los colores fotónicos naturales también tiene una repercusión en aplicaciones industriales. Los resultados relativos al control genético del color de colonias bacterianas están siendo puestos en valor por Hoekmine, una empresa neerlandesa de biotecnología. Gracias a SeSaMe, Vignolini es ahora una experta destacada en el campo de la biomimética. En 2018 y 2019, recibió varios galardones al mérito científico por el trabajo realizado en materiales ópticos bioinspirados, sus contribuciones a la ciencia de los materiales, la celulosa y la química de los materiales y los logros en nanotecnología y nanociencia.

Nuevas estrategias para mejorar el rendimiento de materiales fotónicos basados en la celulosa

«Fuimos los primeros en emplear la celulosa para producir estructuras fotónicas como pigmentos sostenibles y biocompatibles», comenta Vignolini. La investigación sobre el autoensamblaje de la celulosa en gotas de microfluidos, patentada y publicada en 2016, llevó a su equipo a la vanguardia de este campo. «Este trabajo tuvo una gran repercusión. Empresas de todo el mundo, así como becarios posdoctorales brillantes que se han incorporado a mi grupo, llevan a cabo esta actividad e intentan emplear los nuevos pigmentos que desarrollamos en productos de uso diario». El último resultado del trabajo de SeSaMe es una metodología robusta y sencilla para crear películas coloreadas a partir de un derivado de celulosa biocompatible y comestible que se suele emplear en la nata montada y los helados como espesante de alimentos. «Podemos utilizar materiales comestibles y biocompatibles para hacer películas coloreadas, lo cual representa un paso importante para el futuro desarrollo de colorantes utilizando materiales sostenibles», explica Vignolini. Vignolini concluye: «Necesitamos con urgencia más productos sostenibles que no perjudiquen al planeta. La naturaleza diseñó y optimizó estos materiales para funciones concretas, así que si descubrimos cuáles son y cómo fabricarlos, podemos emplear los materiales para crear una tecnología verdaderamente sostenible». Encontrar nuevas formas de aprovechar los recursos naturales, como los polisacáridos en la producción de materiales funcionales, es fundamental para la fabricación de materiales en el futuro.

Palabras clave

SeSaMe, materiales, celulosa, estructuras fotónicas, materiales fotónicos, pigmento

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27 Mayo 2021