Ispirandosi alle cuticole dello scarabeo, gli scienziati hanno sviluppato strutture ottiche in grado di produrre colori vibranti, iridescenti e completamente biodegradabili utilizzando la chitina, il secondo materiale organico più abbondante al mondo.
"Le condizioni estreme di scarsità hanno consentito ai materiali naturali di evolversi in alcuni dei materiali più straordinari sulla Terra, come la seta di ragno incredibilmente resistente e le conchiglie resistenti agli urti", ha affermato Javier Fernandez, professore associato dell'Università di Tecnologia e Design di Singapore (SUTD).
Nel corso della storia, gli scienziati si sono costantemente rivolti alla natura per trovare ispirazione per risolvere problemi e sviluppare nuove tecnologie, dalle macchine volanti di Leonardo modellate sugli uccelli agli efficienti costumi da bagno che imitano la pelle degli squali.
Un decennio fa, il prof. Assoc Fernandez ha proposto di utilizzare la natura non solo come fonte di ispirazione per la scienza dei materiali, ma come un modello di come devono essere organizzate le molecole naturali per ricreare le straordinarie proprietà dei materiali naturali. "L'abbinamento delle molecole naturali con la loro organizzazione nativa ne consente l'uso senza modifiche, ottenendo materiali che rimangono completamente integrati nei cicli ecologici naturali", ha aggiunto.
La ricerca del professor Fernandez sull'ingegneria bioispirata si concentra sulla chitina. Essendo la seconda molecola organica più abbondante sulla Terra, la chitina è rinnovabile e fa parte di ogni ciclo ecologico. È anche il materiale che la natura utilizza per produrre alcune delle sue strutture più eccezionali, come le ali leggere e rigide di un insetto, l'esterno resistente di una conchiglia e gli straordinari colori di una farfalla. Pertanto, controllarlo ha ampie implicazioni in ingegneria grazie alla sua versatilità e sostenibilità.
In uno studio precedente, il professor Fernandez e il suo team hanno scoperto che la chitina isolata può aggregarsi e creare materiali resistenti pur mantenendo la sua funzione ottica. Il loro ultimo studio, “Produzione artificiale su larga scala dell’iridescenza della cuticola dei coleotteri e suo utilizzo in rivestimenti biodegradabili conformi” si è basato su questi risultati imparando dagli scarabei come utilizzare in modo efficiente la chitina per produrre colore su larga scala. Loro, tuttavia, non l'hanno imparato dai coleotteri colorati.
Mentre i coleotteri che vivono sulle piante utilizzano strutture complesse per produrre colori vibranti e iridescenti per molti compiti, dalla comunicazione di informazioni al confondere i predatori, alcune specie di colore scuro che vivono in ambienti nascosti/bui producono deboli riflessi di colore senza apparente utilizzo. È questo meccanismo che interessa al prof. Assoc Fernandez, poiché coinvolge strutture semplici che possono essere facilmente implementate nei processi di produzione.
I coleotteri che vivono in ambienti bui hanno il loro esoscheletro ricoperto da pieghe di chitina, che li aiutano a muoversi facilmente nel fango e nelle zone umide. È interessante notare che, quando queste pieghe si combinano con lo sfondo ricco di melanina responsabile del loro colore scuro, le loro cuticole diventano iridescenti, riflettendo colori diversi se esposte alla luce.
I ricercatori hanno scoperto che la periodicità delle pieghe non è naturalmente ottimizzata per produrre colore. Tuttavia, il team è riuscito a ottimizzarlo artificialmente ed è riuscito a produrre, con questo meccanismo semplificato, colori chitinosi iridescenti paragonabili a quelli generati dalle complesse strutture dei coleotteri dai colori vivaci che vivono sulle foglie.
Questa semplice costruzione ha consentito al team, in un solo anno, di ampliare la produzione di colore da campioni microscopici utilizzati come prova di concetto, a pellicole in formato A4, il più grande esempio di colore strutturale prodotto fino ad oggi con la sua molecola nativa. Questi risultati non sono solo significativi dal punto di vista teorico ma anche tecnologicamente rilevanti.
"Poiché la chitina è approvata dalla FDA per uso medico e cosmetico, fornisce un'alternativa salutare e rispettosa dell'ambiente ai materiali sintetici utilizzati in tali applicazioni", ha spiegato il prof. Assoc Fernandez. In aggiunta ai risultati ottenuti in passato sull'uso della chitina per produrre beni di consumo a livello locale, il team prevede di incorporare strutturalmente il colore nella produzione generale, eliminando la necessità di includere coloranti artificiali.
Guardando al futuro, il prof. Assoc Fernandez considera la produzione bioispirata come una sinergia reciprocamente vantaggiosa tra biologia e tecnologia, consentendo l'uso tecnologico di nuovi materiali basati su progetti biologici e aiutando i ricercatori a creare modelli controllati per comprendere meglio i sistemi biologici.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Engineering Materials .
Ulteriori informazioni: Akshayakumar Kompa et al, Produzione artificiale su larga scala dell'iridescenza delle cuticole dei coleotteri e suo utilizzo in rivestimenti biodegradabili conformi, Materiali ingegneristici avanzati (2024). DOI:10.1002/adem.202301713
Fornito dall'Università di Tecnologia e Design di Singapore
