Minuscoli pacchetti di melanina inseriti tra la cheratina nelle piume di questo storno africano interagiscono con la luce per produrre i colori iridescenti sul dorso. Attestazione:Liliana D'Alba
Ispirato dal modo in cui le piume iridescenti degli uccelli giocano con la luce, gli scienziati hanno creato sottili pellicole di materiale in un'ampia gamma di colori puri, dal rosso al verde, con tonalità determinate dalla struttura fisica piuttosto che dai pigmenti.
Il colore strutturale nasce dall'interazione della luce con materiali che hanno motivi su scala minuscola, che piegano e riflettono la luce per amplificare alcune lunghezze d'onda e smorzarne altre. melanosomi, piccoli pacchetti di melanina trovati nelle piume, pelle e pelo di molti animali, può produrre colore strutturale quando imballato in strati solidi, come sono nelle piume di alcuni uccelli.
"Abbiamo sintetizzato e assemblato nanoparticelle di una versione sintetica della melanina per imitare le strutture naturali che si trovano nelle piume degli uccelli, " disse Nathan Gianneschi, professore di chimica e biochimica all'Università della California, San Diego. "Vogliamo capire come la natura usa materiali come questo, poi sviluppare una funzione che vada oltre ciò che è possibile in natura."
Il lavoro di Gianneschi si concentra sulle nanoparticelle in grado di percepire e rispondere all'ambiente. Ha proposto il progetto dopo aver ascoltato Matthew Shawkey, un professore di biologia all'Università di Akron, descrivere il suo lavoro sul colore strutturale nelle piume degli uccelli in una conferenza. Gianneschi, Shawkey e colleghi di entrambe le università riportano i frutti della collaborazione risultante sulla rivista ACS Nano , pubblicato online il 12 maggio
I chimici hanno sintetizzato nanoparticelle di melanina sintetica e le hanno essiccate in pellicole sottili per creare una gamma di tonalità pure dal rosso al verde. La disposizione fisica delle particelle, piuttosto che diversi tipi di pigmenti, determina i colori. Credito:UC San Diego/Università di Akron
Per imitare i melanosomi naturali, Yiwen Li, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Gianneschi, legato chimicamente una molecola simile, dopamina, in maglie. Il collegato, o polidopamina, appallottolato in particelle sferiche di dimensioni quasi uniformi. Ming Xiao, uno studente laureato che lavora con Shawkey e il professore di scienza dei polimeri Ali Dhinojwala presso l'Università di Akron, essiccate diverse concentrazioni delle particelle per formare film sottili di particelle di polidopamina strettamente impaccate.
I film riflettono i colori puri della luce; rosso, arancia, giallo e verde, con tonalità determinata dallo spessore dello strato di polidopamina e da quanto strettamente le particelle sono imballate, che si riferisce alla loro dimensione, determinato dall'analisi del gruppo di Shawkey.
I colori sono eccezionalmente uniformi tra le pellicole, secondo precise misurazioni di Dimitri Deheyn, un ricercatore presso la Scripps Institution of Oceanography della UC San Diego che studia come un'ampia varietà di organismi usa la luce e il colore per comunicare. "Questa mappatura spaziale degli spettri ti parla anche dei cambiamenti di colore associati ai cambiamenti nelle dimensioni o nella profondità delle particelle, " Disse Deheyn.
Micrografie elettroniche di sezioni trasversali di film realizzati da nano particelle di polidopamina. Lo spessore degli strati e la densità delle particelle determina come la luce interagisce con le particelle, e quindi il colore del film. Il film superiore ha creato una tonalità rossa, il verde in basso. Credito:UC San Diego/Università di Akron
Le qualità del materiale contribuiscono alla sua potenziale applicazione. La tonalità pura è una caratteristica preziosa dei sensori colorimetrici. E a differenza delle vernici o dei coloranti a base di pigmenti, il colore strutturale non sbiadisce. polidopamina, come la melanina, assorbe la luce UV, quindi anche i rivestimenti a base di polidopamina possono proteggere i materiali. La dopamina è anche una molecola biologica utilizzata per trasmettere informazioni nel nostro cervello, Per esempio, e quindi biodegradabile.
"Ciò che mi ha affascinato per 15 anni è l'idea che si possono generare colori attraverso l'arcobaleno attraverso lievi cambiamenti (scala nanometrica) nella struttura, " ha detto Shawkey i cui interessi vanno dai meccanismi fisici che producono i colori al modo in cui le strutture crescono negli organismi viventi. "Questa idea di biomimetica può aiutare a risolvere problemi pratici ma ci consente anche di testare le ipotesi meccanicistiche e di sviluppo che abbiamo proposto, " Egli ha detto.
I melanosomi naturali che si trovano nelle penne degli uccelli variano in dimensioni e in particolare forma, formando bacchette e sfere che possono essere piene o cave. Il prossimo passo è variare le forme delle nanoparticelle di polidopamina per imitare quella varietà per testare sperimentalmente come le dimensioni e la forma influenzano le interazioni della particella con la luce, e quindi il colore del materiale. In definitiva, il team spera di generare una tavolozza di biocompatibili, colore strutturale.
