可生物降解的闪光和可食用污染的微藻类:受自然启发的新材料| 地平线杂志

大自然已经花费了数百万年的时间来解决问题。 它提出了巧妙的解决方案,以构建坚固的结构,收集能量并产生彩虹色。 科学家们越来越多地向自然界寻求灵感,以创造新的,更绿色的材料和技术。

在英国剑桥大学Silvia Vignolini博士的实验室中,科学家正在设计可生物降解的闪光和天然染料,用于食用色素和化妆品,这是一个名为“ PlaMatSu

为此,他们使用了纤维素-一种天然纤维,可以使树木和植物具有强度和刚度。 这是我们用纸做的。 维尼格林尼博士说:“这是我们地球上最丰富的物质。” “每个人都在考虑它的强度,但并不是每个人都知道您可以使用纤维素来制造颜料。”

纯纤维素是雪白的。 为了唤起色彩,Vignolini博士从纤维素中雕刻出微小的形状,这些色彩从光中反射出明亮的色彩-一种称为结构色彩。

Vignolini博士说:“通过在纳米尺度上构造材料,光以一种创造色彩的方式与之相互作用。” 我们对这种现象的认识比我们想象的要熟悉得多-想一想弯曲光线或蝴蝶五颜六色的翅膀所产生的色调肥皂泡。 在这些示例中,颜色根据视角而变化。

Vignolini博士的灵感来自于材料结构而非颜料的存在而导致的自然世界的彩虹色。 大理石浆果的光泽金属蓝色水果(Pollia凝结水)是最引人注目的例子之一 Vignolini博士研究了,细胞之间的颜色反射率会发生变化,使水果具有闪光的外观。 另一个例子是Cyphochilus甲虫 她发现比纸更白 归功于超薄秤,可以偏转所有颜色。

Cyphochilus甲虫比纸更白,这归功于超薄的鳞片可偏转所有颜色。  图片来源-Olimpia Onelli
The Cyphochilus beetle is whiter than paper thanks to ultra-thin scales deflecting all colours. Image credit – Olimpia Onelli

结构色

Vignolini博士的实验室使用结构色来制造完全可生物降解的颜料和闪光,例如可以用于化妆或五彩纸屑。 常规的闪光是由聚合物微粒制成的,而维尼奥利尼博士的闪光仅由特殊形状的纤维素制成。

“它是由植物每个细胞壁中的相同材料制成的。 它占了沙拉的40%。 如果它散布到环境中也是无害的,而且可以食用。

她与化妆品公司合作生产基于植物的,可生物降解的颜料,包括用于化妆品和皮肤护理。

随着食品行业正在努力替代合成着色剂,她还致力于利用有机废物开发新的结构性食品着色剂。 Vignolini博士说:“我们可以使用造纸过程中剩下的东西,或者是富含纤维素的农业废料,例如芒果或香蕉皮,然后将其用于着色。”

PlaMatSu网络中的其他公司正在寻求超越色彩的方法,以部署从自然界汲取的表面创意。 德国弗赖堡大学和瑞士弗里堡大学的研究小组正在研究粗糙的植物表面如何阻止昆虫。 他们可以制造可生物降解的材料,这些材料可能会被喷洒以阻止虫子在作物或墙壁上觅食,以阻止虫子。

对于意大利化学家巴里大学的吉安卢卡·玛丽亚·法里诺拉(Gianluca Maria Farinola)教授来说,合成藻类的细小藻类的光操纵结构(称为硅藻)具有许多可能的用途。

他研究了LED技术,太阳能电池和光学设备的分子和纳米结构。 在教本科环境科学专业的学生时,他遇到了硅藻。 他受到启发,创造了仿生藻类,该藻类可以操纵激光技术或药物的光。

“通过在纳米尺度上构造材料,光以一种创造色彩的方式与之相互作用。”

英国剑桥大学Silvia Vignolini博士

硅藻

硅藻是单细胞藻类,每个藻类都包裹在二氧化硅中,它们是自己的玻璃屋。 这些可以是扇形或杆形,锯齿形,圆形或三角形。 法里诺拉教授说:“它们是美丽的自然物体,激发了艺术家,时装设计师和建筑师的灵感。” 它们发生在海洋,湖泊和池塘中,并产生我们呼吸的氧气的至少20%。

法里诺拉教授说:“用肉眼可以看到最大的物种,但只能看到小点。” “您无法欣赏它们的形状和结构之美。”

在显微镜下,您可能会看到他们的玻璃房里满是毛孔,或者有各种山脊和凸起。 这些标记帮助他们将最佳波长的光聚焦到细胞上进行光合作用,同时散射或滤除有害波长。 它使它们成为自然的光子结构,这意味着它们能够操纵光。

法里诺拉教授说:“光子晶体在激光技术中被大量使用。”他相信硅藻可以激发我们创造出新的光子技术,例如,它可以用于光检测,计算或机器人技术。

作为一部分 通过探索受生物启发的太阳能收集材料的网络,Farinola教授正在招收一名博士生,以研究硅藻的光合作用,并使用额外的聚光设备(某些分子)来制造仿生硅藻。

法里诺拉教授说:“我们掺入了覆盖硅藻无法自然吸收的一系列波长的分子。” 它充当人造天线,吸收多余的光并增强光合作用。 这将促进海水中硅藻的生长。

硅藻的微观结构有助于它们操纵光,从而使人们希望它们可以用于光检测,计算或机器人技术的新技术中。  图片来源-Mogana Das Murtey和Patchamuthu Ramasamy,根据CC BY-SA 3.0许可
The microscopic structures of diatoms help them manipulate light, leading to hopes they could be used in new technologies for light detection, computing or robotics. Image credit – Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy, licenced under CC BY-SA 3.0

Farinola教授的研究可能会看到特殊的硅藻已经生长出来,可以用来输送药物。 他在巴里(Bari)的实验室可以在移走内部细胞后修改其温室,或者将一种物质附着在硅藻食物上,使其潜入壳内。 他的小组已经将抗氧化剂分子附着在硅藻的壳上,然后将硅藻 抗生素环丙沙星,有可能在患者体内传送。

在另一个例子中,活的硅藻被吸收了 双膦酸盐,这是一种用于改善骨质疏松症患者骨状态的药物。 法里诺拉教授说:“然后我们除去了所有生物,剩下的二氧化硅中有双膦酸盐。” 他设想用这些二氧化硅壳覆盖植入物,以刺激手术后的骨生长,尽管尚未在患者中尝试过。

他的团队还在研究硅藻壳中的二氧化硅如何用于清洁环境中的各种污染物。 Farinola教授说,研究人员用一种特殊的聚合物(聚多巴胺)覆盖了死硅藻的壳,并粘在酶上,这些酶原则上可以用来分解污染物。

通过将生物学家,藻类专家,物理学家,合成化学家和新兴研究人员聚集在一起,BEEP致力于探索微生物如何帮助我们产生新技术。

“我们希望在研究植物的背景下突破生物学,化学和物理学之间的界限,”协调BEEP的Vignolini博士说。 她认为该网络和PlatMaSu有望实现满足社会需求的新型绿色材料。

颜料与结构色

颜料颜色吸收并反射不同波长的可见光,每个波长对应一种特定的颜色。 如果粉刷过的墙壁吸收了除蓝色以外的所有波长的光,则该墙壁将显示为蓝色。 化学颜料产生的颜色从各个角度看都一样,并且会随着时间而褪色。

相反,结构色不吸收光,而是从诸如鳞片的结构反射光。 反射光的波长取决于物体的方向以及观察者看到物体的角度。 多层结构会导致虹彩,因为颜色会根据视角而变化。 与化学颜料不同,结构颜色耐褪色。 它在自然界很普遍,可以在变色龙和孔雀羽毛中找到。

本文中的研究由欧盟资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。

This article – ” 可生物降解的闪光和可食用污染的微藻类:受自然启发的新材料| 地平线杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research and Innovation magazine

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作者: NewsWire

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