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Imitare le piume degli uccelli per ricreare i colori luminosi della natura

Colori cangianti come quelli che si trovano sulle filigrane olografiche dei documenti d’identità sono in circolazione da 20 anni, seppur limitatamente ad applicazioni come la sicurezza e i cosmetici. Un’iniziativa dell’UE si propone di introdurre una metodologia rivoluzionaria che consenta di produrre tali pigmenti utilizzando solo materiali naturali come la cellulosa e la chitina, i due biopolimeri più abbondanti della Terra.

Ricerca di base
Salute

I colori strutturali nascono dalla riflessione della luce da nanostrutture complesse. In natura, si possono trovare nelle piume degli uccelli, nei frutti delle piante o nei gusci esterni dei coleotteri. Queste nanostrutture spesso producono colorazioni cangianti in cui un oggetto appare di un colore diverso a seconda dell’angolo di osservazione, diversamente dai pigmenti chimici che producono colori che non cambiano se visti da diverse angolazioni. Con il finanziamento dell’UE attraverso una sovvenzione del Consiglio europeo della ricerca (CER), il progetto SeSaMe si è posto l’obiettivo di fabbricare e caratterizzare otticamente le strutture fotoniche utilizzando solo materiali naturali. «Studiando le architetture naturali che producono colori strutturali, siamo stati in grado di comprenderne la configurazione e di “imitarle” in laboratorio», afferma la beneficiaria del CER e ricercatrice principale, Silvia Vignolini. «Al tempo stesso, abbiamo risposto a domande fondamentali sul loro significato biologico e ci siamo fatti un’idea di alcuni dei processi biologici in atto al momento in cui tali strutture vengono generate». «Abbiamo contribuito alla conoscenza, comprendendo in che modo la cellulosa possa essere sfruttata come materiale ottico», continua. Secondo Vignolini, il contributo più importante che gli scienziati possono fornire alla società è quello di sviluppare e formare ricercatori post-dottorato e dottorandi per pensare in modo critico, e risolvere, problemi complessi.

Comprendere la formazione delle strutture fotoniche in natura

L’attività di ricerca interdisciplinare del SeSaMe ha avuto un impatto su vari campi che vanno dalla chimica e dalla fisica della materia soffice alla biologia evoluzionistica. Gli scienziati sono stati in grado di comprendere come la nanostruttura naturale possa produrre una vasta gamma di effetti ottici. Il lavoro svolto sui colori fotonici naturali si ripercuote anche sulle applicazioni industriali. I risultati ottenuti nel controllo del colore delle colonie batteriche attraverso la genetica vengono attualmente sfruttati da Hoekmine, un’azienda biotecnologica con sede nei Paesi Bassi. Grazie a SeSaMe, Vignolini si è affermata come esperta di primo piano nel campo della biomimetica. Nel 2018 e nel 2019 ha ricevuto diversi riconoscimenti di merito scientifico per il lavoro svolto sui materiali ottici bioispirati, per i contributi alla scienza dei materiali, alla chimica dei materiali e della cellulosa e per i risultati ottenuti nel campo delle nanotecnologie e delle nanoscienze.

Nuove strategie per migliorare le prestazioni dei materiali fotonici a base di cellulosa

«Per primi, abbiamo utilizzato la cellulosa per produrre strutture fotoniche come pigmenti sostenibili e biocompatibili», afferma Vignolini. La ricerca sull’auto-assemblaggio della cellulosa in goccioline microfluidiche, brevettata e pubblicata nel 2016, ha portato il suo team all’avanguardia in questo campo. «Si è trattato di un lavoro estremamente influente, le aziende di tutto il mondo, così come i ricercatori post-dottorato di talento che sono entrati a far parte del mio gruppo, stanno portando avanti questa attività, cercando di sfruttare i nuovi pigmenti da noi sviluppati nei prodotti di tutti i giorni». L’ultimo lavoro di SeSaMe riguarda una metodologia solida e semplice per realizzare pellicole colorate a partire da un derivato della cellulosa biocompatibile e commestibile che di solito viene sfruttato nella panna montata e nel gelato come addensante alimentare. «Possiamo utilizzare materiali commestibili e biocompatibili per realizzare pellicole colorate, un passo importante per lo sviluppo futuro dei coloranti utilizzando materiali sostenibili», spiega Vignolini. «Abbiamo un disperato bisogno di prodotti più sostenibili che non arrechino danno al pianeta», conclude Vignolini. «La natura ha progettato e ottimizzato questi materiali per funzioni specifiche, quindi, se scopriamo cosa sono e come fabbricarli, possiamo sfruttarli per una tecnologia veramente sostenibile». Trovare nuovi modi per sfruttare risorse naturali come i polisaccaridi nella produzione di materiali funzionali è la chiave per la produzione di materiali del futuro.

Parole chiave

SeSaMe, materiali, cellulosa, strutture fotoniche, materiali fotonici, pigmento

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