L'iridescenza delle bacche di marmo e l'intelligenza, perforazioni di microalghe che piegano la luce stanno ispirando gli scienziati a creare glitter biodegradabili e pigmenti per il trucco, e alghe bioniche da utilizzare nei laser o per pulire gli inquinanti.

La natura ha passato milioni di anni a elaborare risposte ai problemi. Ha escogitato soluzioni ingegnose per costruire strutture robuste, raccogliere energia e produrre colori iridescenti. Gli scienziati si rivolgono sempre più al mondo naturale per trovare ispirazione per creare nuovi, materiali e tecnologie più ecologiche.

Nel laboratorio della Dott.ssa Silvia Vignolini dell'Università di Cambridge, UK, gli scienziati stanno progettando glitter biodegradabili e coloranti naturali per coloranti alimentari e cosmetici come parte di un progetto chiamato PlaMatSu.

Per fare questo, usano la cellulosa, una fibra naturale che conferisce forza e rigidità ad alberi e piante, usato per fare la carta. "È il materiale più abbondante che abbiamo sul pianeta, " disse il dottor Vignolini. "Tutti pensano alla sua forza, ma non tutti sanno che puoi usare la cellulosa per fare i pigmenti".

La pura cellulosa è bianca come la neve. Per evocare i colori, Il dottor Vignolini scolpisce minuscole forme di cellulosa su cui la luce rimbalza sotto forma di colori brillanti, qualcosa chiamato colore strutturale.

"Strutturando il materiale su scala nanometrica, la luce interagisce con essa creando colore, " Ha detto il dottor Vignolini:pensa alle sfumature che le bolle di sapone generano piegando la luce, o le ali colorate di una farfalla. In questi esempi, il colore cambia in base all'angolo di visuale.

Il Dr. Vignolini si è ispirato ai colori cangianti del mondo naturale causati dalla struttura di un materiale piuttosto che dalla presenza di pigmenti. Il frutto blu metallizzato lucente della bacca di marmo (condensato di Pollia) è uno degli esempi più eclatanti che il dott. Vignolini ha studiato, con riflettanza del colore che cambia tra le cellule e conferisce al frutto un aspetto scintillante. Un esempio diverso è lo scarabeo Cyphochilus, che ha scoperto essere più bianca della carta, grazie alle scaglie ultrasottili che deviano tutti i colori.

Colore strutturale

Il laboratorio del Dr. Vignolini ha utilizzato il colore strutturale per realizzare pigmenti e glitter completamente biodegradabili, che potrebbe essere usato nel trucco o come coriandoli, ad esempio. Il glitter convenzionale è costituito da microparticelle polimeriche, mentre il glitter del Dr. Vignolini è fatto solo di cellulosa appositamente sagomata.

"Questo è fatto dello stesso materiale che è in ogni parete cellulare delle piante. Fa il 40% di un'insalata, " disse il dottor Vignolini del suo lustrino. "Non è dannoso se si disperde nell'ambiente, ed è anche commestibile."

Collabora con aziende cosmetiche per generare prodotti a base vegetale, pigmenti biodegradabili, anche per il trucco e la cura della pelle.

Si occupa anche di nuovi coloranti alimentari strutturali da rifiuti organici, poiché l'industria alimentare sta lavorando per sostituire i coloranti sintetici. "Possiamo utilizzare gli avanzi dei processi di fabbricazione della carta, o rifiuti agricoli, come mango o buccia di banana, che è ricco di cellulosa, e poi usarlo per fare la colorazione, " ha detto il dottor Vignolini.

Altri nella rete PlaMatSu stanno guardando oltre il colore per distribuire idee di superficie tratte dalla natura. Team dell'Università di Friburgo, Germania, e Università di Friburgo, Svizzera, stanno osservando come le superfici ruvide delle piante scoraggiano gli insetti. Potrebbero creare materiali biodegradabili che potrebbero essere spruzzati per impedire agli insetti di nutrirsi su un raccolto o sui muri per scoraggiare gli insetti.

Per il Professor Gianluca Maria Farinola dell'Università di Bari, Italia, un chimico sintetico, le bellissime strutture che manipolano la luce di minuscole alghe chiamate diatomee hanno molti possibili usi.

Ha studiato molecole e nanostrutture per le tecnologie LED, celle solari e dispositivi ottici. Mentre insegnavo agli studenti universitari di scienze ambientali, ha incontrato le diatomee. È stato ispirato a creare alghe bioniche in grado di manipolare la luce per le tecnologie laser o per fornire farmaci.

diatomee

Le diatomee sono alghe unicellulari, ciascuno racchiuso in silice, la loro casa di vetro. Questi possono essere a forma di ventaglio o bastoncini, zigzag, circolare, o triangolare. "Sono bellissimi oggetti naturali che hanno ispirato artisti, stilisti e architetti di moda, " disse il Prof. Farinola. Si verificano nei mari, laghi e stagni e producono almeno il 20% dell'ossigeno che respiriamo.

"La specie più grande può essere vista ad occhio nudo, ma solo come piccoli punti, " ha detto il Prof. Farinola. "Non si può apprezzare la bellezza della loro forma e struttura."

Al microscopio, potresti vedere pori o una varietà di creste ed elevazioni. Questi segni focalizzano le migliori lunghezze d'onda della luce sulla cellula per la fotosintesi, diffondendo o filtrando le lunghezze d'onda dannose. Li rende strutture fotoniche naturali, il che significa che sono in grado di manipolare la luce.

"I cristalli fotonici sono molto usati nelle tecnologie laser, " ha detto il Prof. Farinola, e crede che le diatomee possano ispirare i ricercatori a creare nuove tecnologie fotoniche per il rilevamento della luce, informatica o robotica, Per esempio.

Come parte della rete BEEP che esplora materiali di raccolta solare bioispirati, Il Prof. Farinola sta svolgendo un dottorato di ricerca. studente per studiare la fotosintesi delle diatomee e creare una diatomea bionica con un pezzo in più di attrezzatura per la raccolta della luce:determinate molecole.

"Incorporiamo molecole che coprono una gamma di lunghezze d'onda che la diatomea non assorbe naturalmente, " ha affermato il Prof. Farinola. Questo agisce come un'antenna artificiale per assorbire luce extra e sovralimentare la fotosintesi. Ciò dovrebbe stimolare la crescita delle diatomee in un serbatoio di acqua di mare.

La ricerca del Prof. Farinola potrebbe vedere coltivate diatomee speciali per la somministrazione di farmaci. Il suo laboratorio di Bari può modificare le proprie serre dopo aver rimosso la cella all'interno, o attaccare una sostanza al cibo di diatomee per intrufolarlo all'interno del guscio. Il suo gruppo ha attaccato molecole antiossidanti sui gusci delle diatomee che poi hanno catturato l'antibiotico ciprofloxacina, che potrebbe potenzialmente essere consegnato all'interno di un paziente.

In un altro esempio, le diatomee viventi assunsero i bifosfonati, che è un farmaco ben noto per migliorare lo stato osseo nei pazienti con osteoporosi. "Quindi rimuoviamo tutta la materia vivente e ci rimane silice con bifosfonati, " ha affermato il Prof. Farinola. Egli prevede di coprire un impianto con questi gusci di silice per stimolare la crescita ossea dopo l'intervento chirurgico, anche se questo non è stato ancora provato nei pazienti.

Il suo team sta anche esaminando come la silice dei gusci di diatomee potrebbe essere utilizzata per ripulire i diversi inquinanti nell'ambiente. I ricercatori hanno coperto i gusci delle diatomee morte con uno speciale polimero (polidopamina) e bloccato su enzimi che potrebbero in linea di principio essere utilizzati per abbattere gli inquinanti, secondo il prof. Farinola.

Riunendo i biologi, esperti di alghe, fisici, chimici sintetici e ricercatori emergenti, BEEP mira a esplorare come i microrganismi possono aiutarci a generare nuove tecnologie.

"Vogliamo violare il confine tra biologia, chimica e fisica nell'ambito dello studio delle piante, " ha detto il dottor Vignolini, che coordina BEEP. Lei vede questa rete e PlatMaSu come si spera che abilitano nuovi, materiali più ecologici che soddisfano i bisogni sociali.

Pigmento vs colore strutturale

Il colore del pigmento assorbe e riflette diverse lunghezze d'onda della luce visibile, ognuno dei quali corrisponde ad un particolare colore. Se una parete dipinta assorbe tutte le lunghezze d'onda della luce eccetto il blu, allora il muro sembrerà blu. I pigmenti chimici producono un colore che sembra lo stesso da tutte le angolazioni e sbiadisce nel tempo.

In contrasto, il colore strutturale non assorbe la luce, ma invece lo riflette da strutture come le scale. La lunghezza d'onda della luce riflessa dipende dall'orientamento dell'oggetto e dall'angolo da cui lo spettatore lo vede. Le strutture multistrato possono causare iridescenza, poiché il colore cambia a seconda dell'angolo di visione. A differenza dei pigmenti chimici, il colore strutturale è resistente allo sbiadimento. È diffuso nel mondo naturale, e può essere trovato in camaleonti e piume di pavone.