Strukturen hos ultravita skalbaggefjäll kan vara nyckeln till att göra ljusvit hållbar färg med återvunnet plastavfall, forskare vid University of Sheffield har upptäckt.

Cyphochilus skalbaggefjäll är en av de ljusaste vita i naturen och deras ultravita utseende skapas av nanostrukturen i deras små fjäll, i motsats till användningen av pigment eller färgämnen.

Experter har nu kunnat återskapa och förbättra denna struktur i labbet med hjälp av billiga material – via en teknik som kan användas som ett hållbart alternativ till titandioxid i vit färg.

Dr Andrew Parnell, från University of Sheffields institution för fysik och astronomi, som ledde forskningen, sa:"I den naturliga världen, vithet skapas vanligtvis av en skum, Schweizisk ostliknande struktur gjord av ett solidt sammankopplat nätverk och luft. Tills nu, hur dessa strukturer bildas och utvecklas och hur de har utvecklat ljusspridande egenskaper har förblivit ett mysterium.

"Efter att ha förstått dessa strukturer kunde vi ta plast och strukturera den på samma sätt. Helst, vi skulle kunna återvinna plastavfall som normalt skulle brännas eller skickas till deponi, strukturera den precis som skalbaggens skala och använd den sedan för att göra supervit färg. Detta skulle göra färg med ett mycket lägre koldioxidavtryck och hjälpa till att ta itu med utmaningen att återvinna engångsplast."

Fynden visar att den skummande strukturen på skalbaggarnas fjäll hade rätt andel tomma utrymmen, som optimerar spridningen av ljus – vilket skapar den ultravita färgen.

Konventionell vit färg innehåller nanopartiklar av titandioxid, som sprider ljus mycket starkt. Dock, Användningen av titandioxid är skadlig för miljön eftersom den bidrar till nästan 75 procent av koldioxidavtrycket för varje färgburk som produceras.

För att mäta de små individuella skalbaggfjällen, forskare använde en teknik som kallas röntgentomografi, som liknar en datortomografi men i en mycket liten skala. Forskarna använde röntgenavbildningsanläggningarna vid instrumentet ID16B vid European Synchrotron Research Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike.

Den intensiva röntgenkällan vid ESRF innebar att hela intakta skalor kunde mätas, som var avgörande för att förstå dem och modellera hur de sprider ljus. För att följa hur det syntetiska materialet bildades, de använde återigen ESRF för att bekräfta bildningsmekanismen när skiktet torkade och blev strukturerat.

Dr. Stephanie Burg, en Ph.D. forskare vid University of Sheffield sa:"Denna forskning svarar på långvariga frågor om hur strukturen inuti dessa skalor faktiskt bildas och vi hoppas att dessa lärdomar från naturen kommer att hjälpa till att informera om framtiden för hållbar tillverkning av färg."

Teamet använde också instrumentet Larmor vid ISIS Spallation Neutron Source, som mätte nanostrukturen hos de syntetiska vita de tillverkade. Detta var vid Rutherford Appleton Laboratory i Oxfordshire - en del av Science and Technologies Facilities Council.

Arbetet utfördes i samarbete med beläggningsföretaget AkzoNobel, tillverkare av Dulux-färg. Tidningen Liquid-liquid phase separation morfologier i ultravita skalbaggefjäll och en syntetisk motsvarighet publicerades idag (29 augusti 2019) i Naturkommunikationskemi .