Рефлектиращият цвят на Pollia condensata се различава от клетка до клетка, което му придава поразителен вид. Снимка: Juliano Costa / Wikimedia
Иридесценция на Pollia condensata и изкусните, обли отвори на микроводораслите са сред уроците от природата, които учените следват, за да създадат биоразградими глитери и пигменти за грим, както и бионични водорасли, които да се използват при лазери или за почистване на замърсявания.
Природата е прекарала милиони години в еволюция за да дава отговори на различни проблеми. Тя е създала гениални решения за изграждане на здрави структури, абсорбиране на енергия и създаване на иридесцентни цветове. Учените все повече се обръщат към природния свят за вдъхновение в търсенето на нови, по-екологични материали и технологии.
В лабораторията на д-р Силвия Виньолини от университета в Кеймбридж, Обединеното кралство, учените проектират биоразградими глитери и естествени оцветители за храни и козметика, като част от проект, наречен PlaMatSu.
За да направят това, те използват целулоза – естествено влакно, което придава сила и твърдост на дърветата и растенията. Тя всъщност е материалът, от който правим хартията. „Това е най-изобилният материал, който имаме на планетата“, казва д-р Виньолини. „Всеки мисли за силата му, но не всички знаят, че целулозата може да се използва и за направата на пигменти.“
Чистата целулоза е снежнобяла. За да получи цветове, д-р Виньолини издълбава от целулоза малки формички, от които светлината отскача под формата на ярки цветове – т. нар. структурен цвят.
„Структурирайки материал върху наноскала, светлината взаимодейства с него по начин, който създава цвят“, обяснява д-р Виньолини. По-добре сме запознати с това явление, отколкото осъзнаваме – помислете за оттенъците на сапунените мехурчета, генерирани чрез огъване на светлина или цветни крила на пеперуда. В тези примери цветът се променя според ъгъла на видимост.
Д-р Виньолини е вдъхновена от преливащите се цветове на естествения свят, получени от структурата на материала, а не от наличието на пигменти. Лъскавите метално сини плодове от Pollia condensata са един от най-ярките примери, които д-р Виньолини е изучавала, като цветното отражение се променя между клетките и придава на плода бляскав вид. Друг пример е бръмбарът Cyphochilus, който е по-бял от хартия благодарение на ултра тънките люспи, отклоняващи всички цветове.
Структурен цвят
Лабораторията на д-р Виньолини използва структурен цвят, за да направи напълно биоразградими пигменти и глитери, които могат да се използват например в козметиката или като конфети. Конвенционалният блясък се получава от полимерни микрочастици, докато блясъкът на д-р Виньолини е получен само от специално оформена целулоза.
„Това е направено от същия материал, който се съдържа във всяка клетъчна стена на растенията. Тоест представлява около 40% салата“, казва тя за глитера си. „Не е вредно, ако се разпространява в околната среда, и е годно за консумация.“
Д-р Виньолини си сътрудничи с козметични компании за генериране на биоразградими пигменти на растителна основа, включително за грим и грижа за кожата.
Също така тя работи върху нови структурни хранителни оцветители от органични отпадъци, тъй като хранителната индустрия работи за замяна на синтетичните оцветители.
„Можем да използваме остатъците от процесите при производство на хартия или селскостопанските отпадъци, като манго или бананова кора, която е богата на целулоза, и след това да ги използваме за оцветяване“.
Други в мрежата PlaMatSu търсят отвъд цветовете, за да разгърнат още идеи извлечени от природата. Екипи от Университета във Фрайбург (Германия) и Университета във Фрибург (Швейцария), изследват как грубите растителни повърхности възпират насекомите. Те биха могли да произведат биоразградими материали, които чрез пръскане, да отблъскват насекомите от реколта или стените.
За професор Джанлука Мария Фаринола, синтетичен химик от университета в Бари (Италия), красивите манипулиращи светлината структури от малки водорасли, наречени диатоми, имат много възможни приложения.
Той е изследвал молекули и наноструктури за LED технологии, слънчеви клетки и оптични устройства. Натъква се на диатомите докато преподава на студенти по екологични науки. Това го вдъхновява да създаде бионични водорасли, които могат да манипулират светлина за лазерни технологии или да се ползват при изработването на лекарства.
Диатоми
Диатомите са едноклетъчни водорасли, всяко от които е затворено в силициев диоксид, тяхна собствена оранжерия. Те могат да бъдат вентилаторовидни или пръчковидни, зигзагообразни, кръгли или триъгълни. „Те са красиви природни творения, които са вдъхновявали художници, модни дизайнери и архитекти“, казва проф. Фаринола. Срещат се в морета, езера и водоеми и произвеждат поне 20% от кислорода, който дишаме.
„Най-големите видове могат да се видят с просто око, но само като малки точки“, казва проф. Фаринола. „Не можете да оцените красотата на тяхната форма и структура.“
Под микроскоп може да видите оранжериите им, изградени от пори, или с различни вдлъбнатини и издатини. Тези маркировки им помагат да улавят най-подходящите дължини на светлинните вълни към клетката за фотосинтеза, като същевременно разсейват или филтрират вредните дължини на вълната. Това ги прави естествени фотонни структури, което означава, че те са в състояние да манипулират светлината.
„Фотонните кристали се използват широко в лазерните технологии“, подчертава проф. Фаринола, той вярва, че диатомите могат да ни вдъхновят да създадем нови фотонни технологии, които да бъдат например за детектиране на светлина, изчислителна техника или роботика.
Като част от мрежата на BEEP, изследваща биологични материали за събиране на слънчева енергия, проф. Фаринола записва докторантура за изучаване на диатомичната фотосинтеза и създаване на бионичен диатом с допълнителни молекули, подпомагащи абсорбирането на светлината.
„Включваме молекули, които покриват диапазона от дължина на вълните, които диатома не абсорбира естествено. Това действа като изкуствена антена, за да абсорбира допълнителна светлина и да засилва фотосинтезата. Очаква се така да се засили диатомовия растеж в резервоар с морска вода.
Изследванията на проф. Фаринола включват специални диатоми, отглеждани за изготвяне на лекарства. В лабораторията в Бари неговата група прикрепи антиоксидантни молекули върху черупките на диатомите, като така получиха антибиотика ципрофлоксацин, който потенциално може да бъде даван на пациенти.
В друг пример, живите диатоми приемат бисфосфонати, лекарство, което се използва за подобряване на състоянието на костите при пациенти с остеопороза.
„След това премахваме цялата жива материя и получаваме остатък от силициев диоксид с бисфосфонат“, казва проф. Фаринола. Той предвижда покриването на импланти с тези силициеви обвивки, за да се стимулира растежа на костите след операцията, въпреки че това все още не е изпробвано при пациенти.
Екипът му също разглежда как силициев диоксид от диатомови обвивки може да се използва за почистване на различни замърсители на околната среда. Изследователите покриха черупките на мъртвите диатоми със специален полимер (полидопамин) и ги залепиха за ензими, които по принцип могат да бъдат използвани за разграждане на замърсителите, според проф. Фаринола.
Събирайки биолози, експерти по водорасли, физици, синтетични химици и начинаещи изследователи, BEEP цели да проучи как микроорганизмите могат да ни помогнат да генерираме нови технологии.
„Искаме да нарушим границата между биологията, химията и физиката в контекста на изучаването на растенията“, заявява д-р Виньолини, която координира BEEP. Тя вижда тази мрежа и PlatMaSu като надежда, позволяваща генерирането на нови, по-екологични материали, отговарящи на социалните нужди.
Източник: horizon-magazine.eu
Превод: Радослав Тодоров
