Iriserandet av marmorbär och de smarta, ljusböjande perforeringar av mikroalger inspirerar forskare att skapa biologiskt nedbrytbart glitter och makeuppigment, och bioniska alger att använda i lasrar eller för att rengöra föroreningar.

Naturen har ägnat miljontals år åt att utveckla svar på problem. Det har kommit med geniala lösningar för att bygga starka strukturer, skörda energi och producera iriserande färger. Forskare vänder sig alltmer till den naturliga världen för inspiration för att skapa nya, grönare material och teknik.

I labbet av Dr Silvia Vignolini vid University of Cambridge, STORBRITANNIEN, forskare designar biologiskt nedbrytbart glitter och naturliga färgämnen för matfärgning och kosmetika som en del av ett projekt som kallas PlaMatSu.

Att göra detta, de använder cellulosa - en naturlig fiber som ger styrka och stelhet till träd och växter, används för att göra papper. "Det är det rikligaste materialet vi har på planeten, sade Dr. Vignolini. "Alla tänker på dess styrka, men inte alla vet att du kan använda cellulosa för att göra pigment."

Ren cellulosa är snövit. För att trolla fram färger, Dr. Vignolini snidar ut små former av cellulosa som ljuset studsar av som ljusa färger – något som kallas strukturfärg.

"Genom att strukturera material i nanoskala, ljus interagerar med det på ett sätt som skapar färg, " Dr. Vignolini sa - tänk på de nyanser såpbubblor genererar genom att böja ljus, eller en fjärils färgglada vingar. I dessa exempel, färgen ändras beroende på synvinkeln.

Dr. Vignolini inspirerades av de skimrande färgerna i den naturliga världen orsakade av ett materials struktur snarare än närvaron av pigment. Den glänsande metalliska blå frukten av marmorbär (Pollia condensate) är ett av de mest slående exemplen som Dr. Vignolini har studerat, med färgreflektans som växlar mellan celler och ger frukten ett glittrigt utseende. Ett annat exempel är Cyphochilus-baggen, som hon upptäckte är vitare än papper, tack vare ultratunna skalor som avleder alla färger.

Strukturell färg

Dr. Vignolinis labb har använt strukturell färg för att göra helt biologiskt nedbrytbara pigment och glitter, som kan användas i smink eller som konfetti, till exempel. Konventionellt glitter är tillverkat av polymermikropartiklar, medan Dr. Vignolinis glitter endast är gjord av speciellt formad cellulosa.

"Detta är tillverkat av samma material som finns i varje cellvägg av växter. Det gör 40% av en sallad, "sa Dr Vignolini om hennes glitter." Det är inte skadligt om det sprider sig i miljön, och det är också ätbart."

Hon samarbetar med kosmetikaföretag för att skapa växtbaserade, biologiskt nedbrytbara pigment, inklusive för makeup och hudvård.

Hon arbetar också med nya strukturella matfärger från organiskt avfall, eftersom livsmedelsindustrin arbetar för att ersätta syntetiska färgämnen. "Vi kan använda resterna från papperstillverkningsprocesser, eller jordbruksavfall, som mango eller bananskal, som är rik på cellulosa, och sedan använda den för att färga, sa Dr Vignolini.

Andra i PlaMatSu-nätverket ser bortom färg för att implementera ytidéer hämtade från naturen. Lag vid universitetet i Freiburg, Tyskland, och universitetet i Fribourg, Schweiz, tittar på hur grova växtytor avskräcker insekter. De kan göra biologiskt nedbrytbara material som kan sprayas för att hindra insekter från att äta på en gröda eller väggar för att avskräcka insekter.

För professor Gianluca Maria Farinola vid universitetet i Bari, Italien, en syntetisk kemist, de vackra ljusmanipulerande strukturerna av små alger som kallas kiselalger har många möjliga användningsområden.

Han har undersökt molekyler och nanostrukturer för LED-teknologier, solceller och optiska enheter. Medan man undervisar studenter i miljövetenskap, han mötte kiselalger. Han blev inspirerad att skapa bioniska alger som kan manipulera ljus för laserteknik eller för att leverera läkemedel.

Kiselalger

Kiselalger är encelliga alger, var och en inkapslad i kiseldioxid, sitt eget glashus. Dessa kan vara fläkt- eller stavformade, sicksack, cirkulär, eller triangulär. "De är vackra naturföremål som har inspirerat konstnärer, modedesigners och arkitekter, sade prof. Farinola. De förekommer i hav, sjöar och dammar och tillverkar minst 20 % av syret som vi andas.

"Den största arten kan ses med blotta ögat, men bara som små prickar, " sade prof. Farinola. "Du kan inte uppskatta skönheten i deras form och struktur."

Under ett mikroskop, du kan se porer eller en mängd olika åsar och höjder. Dessa markeringar fokuserar de bästa våglängderna av ljus till cellen för fotosyntes, samtidigt som skadliga våglängder sprids eller filtreras bort. Det gör dem till naturliga fotoniska strukturer, vilket betyder att de kan manipulera ljus.

"Fotoniska kristaller används mycket i laserteknik, " sade prof. Farinola, och han tror att kiselalger kan inspirera forskare att skapa ny fotonisk teknik för ljusdetektion, datorer eller robotteknik, till exempel.

Som en del av BEEP-nätverket som utforskar bioinspirerade solfångarmaterial, Prof. Farinola tar på sig en doktorsexamen. student att studera kiselalgerfotosyntes och skapa en bionisk kiselalger med en extra del av ljusinsamlingsutrustning - vissa molekyler.

"Vi inkorporerar molekyler som täcker en rad våglängder som kiselalgen inte absorberar naturligt, " sa Prof. Farinola. Denna fungerar som en konstgjord antenn för att absorbera extra ljus och överladda fotosyntesen. Detta bör öka kiselalgertillväxten i en tank med havsvatten.

Professor Farinolas forskning kan se speciella kiselalger som odlas för att leverera läkemedel. Hans labb i Bari kan antingen modifiera sina växthus efter att ha tagit bort cellen inuti, eller fäst ett ämne till kiselalgermat för att smyga in det i skalet. Hans grupp fäste antioxidantmolekyler på kiselalgerskal som sedan fastnade i antibiotikumet ciprofloxacin, som potentiellt skulle kunna levereras inuti en patient.

I ett annat exempel, levande kiselalger tog upp bisfosfonater, vilket är ett läkemedel som är välkänt för att förbättra benstatus hos patienter med osteoporos. "Vi tar sedan bort allt levande och vi har kvar kiseldioxid med bisfosfonat, " sa prof. Farinola. Han föreställer sig att täcka ett implantat med dessa kiseldioxidskal för att stimulera bentillväxt efter operation, även om detta ännu inte har prövats på patienter.

Hans team tittar också på hur kiseldioxid från kiselalgerskal kan användas för att rensa upp olika föroreningar i miljön. Forskarna täckte skalen på döda kiselalger med en speciell polymer (polydopamin) och fastnade på enzymer som i princip kunde användas för att bryta ned föroreningar, enligt professor Farinola.

Genom att sammanföra biologer, algexperter, fysiker, syntetiska kemister och nya forskare, BEEP syftar till att utforska hur mikroorganismer kan hjälpa oss att skapa ny teknologi.

"Vi vill bryta gränsen mellan biologi, kemi och fysik i samband med att studera växter, " sade Dr. Vignolini, vem koordinerar BEEP. Hon ser detta nätverk och PlatMaSu som förhoppningsvis möjliggöra nya, grönare material som möter sociala behov.

Pigment vs strukturell färg

Pigmentfärg absorberar och reflekterar olika våglängder av synligt ljus, som var och en motsvarar en viss färg. Om en målad vägg absorberar alla våglängder av ljus utom blått, då ser väggen blå ut. Kemiska pigment ger en färg som ser likadan ut från alla vinklar och kommer att blekna med tiden.

I kontrast, strukturell färg absorberar inte ljus, utan reflekterar det istället från strukturer som skalor. Våglängden på det reflekterade ljuset beror på objektets orientering och vinkeln från vilken betraktaren ser det. Flerskiktiga strukturer kan orsaka iriserande, eftersom färgen ändras beroende på betraktningsvinkeln. Till skillnad från kemiska pigment, strukturell färg är resistent mot blekning. Det är utbrett i naturen, och kan hittas i kameleoner och påfågelfjädrar.