Inspirerade av skalbaggars nagelband har forskare utvecklat optiska strukturer som kan producera levande, skimrande och helt biologiskt nedbrytbara färger med hjälp av kitin – världens näst vanligaste organiska material.
"Extrema bristförhållanden har gjort det möjligt för naturliga material att utvecklas till några av de mest extraordinära materialen på jorden, såsom otroligt starkt spindelsilke och slagtåliga snäckskal", säger Javier Fernandez, docent vid Singapore University of Technology and Design (SUTD).
Genom historien har forskare konsekvent vänt sig till naturen för att få inspiration för att lösa problem och utveckla ny teknik, från da Vincis flygmaskiner efter fåglar till effektiva baddräkter som efterliknar hajhud.
För ett decennium sedan föreslog Assoc Prof Fernandez att man skulle använda naturen inte bara som en inspirationskälla för materialvetenskap, utan som en plan för hur naturliga molekyler måste organiseras för att återskapa naturmaterialens extraordinära egenskaper. "Att matcha naturliga molekyler med deras ursprungliga organisation möjliggör användning av dem utan modifiering, vilket resulterar i material som förblir helt integrerade i de naturliga ekologiska kretsloppen", tillade han.
Assoc Prof Fernandez forskning inom bioinspirerad teknik fokuserar på kitin. Som jordens näst vanligaste organiska molekyl är kitin förnybart och en del av varje ekologiskt kretslopp. Det är också det material som naturen använder för att producera några av dess mest exceptionella strukturer, såsom en insekts lätta och styva vingar, ett snäckskals tuffa exteriör och en fjärils anmärkningsvärda färger. Därför har kontroll av den breda konsekvenser inom ingenjörskonst på grund av dess mångsidighet och hållbarhet.
I en tidigare studie fann Assoc Prof Fernandez och hans team att isolerat kitin kan aggregera och skapa starka material samtidigt som det bibehåller sin optiska funktion. Deras senaste studie, "Storskalig artificiell produktion av coleoptera cuticle iridescence och dess användning i konforma biologiskt nedbrytbara beläggningar" byggde på dessa resultat genom att lära sig från skalbaggar hur man effektivt använder kitin för att producera färg i stor skala. De lärde sig det dock inte av färgglada skalbaggar.
Medan skalbaggar som lever på växter använder komplexa strukturer för att producera levande och skimrande färger för många uppgifter, från att kommunicera information till förvirrande rovdjur, producerar vissa mörkfärgade arter som lever i dolda/mörka miljöer svaga färgreflektioner utan uppenbar användning för dem. Det är denna mekanism som intresserar Assoc Prof Fernandez, eftersom den involverar enkla strukturer som enkelt kan implementeras i tillverkningsprocesser.
Skalbaggar som lever i mörka miljöer har sitt exoskelett täckt av kitinveck, vilket hjälper dem att lätt röra sig genom lera och fuktiga områden. Intressant nog, när dessa veck kombineras med den melaninrika bakgrunden som är ansvarig för deras mörka färg, blir deras nagelband iriserande och reflekterar olika färger när de utsätts för ljus.
Forskarna fann att veckens periodicitet inte är naturligt optimerad för att producera färg. Teamet kunde dock optimera det på konstgjord väg och kunde, med denna förenklade mekanism, producera skimrande kitinfärger jämförbara med de som genereras av de komplexa strukturerna hos de färgglada skalbaggarna som lever på löv.
Denna enkla konstruktion gjorde det möjligt för teamet, på bara ett år, att uppgradera produktionen av färg från mikroskopiska prover som används som proof of concept, till A4-storlek, det största exemplet på strukturell färg som producerats med sin inhemska molekyl hittills. Dessa resultat är inte bara betydelsefulla i teorin utan också tekniskt relevanta.
"Eftersom kitin är FDA-godkänt för medicinsk och kosmetisk användning, ger det ett hälso- och miljövänligt alternativ till syntetiska material som används i dessa applikationer", förklarade professor Fernandez. Utöver sina tidigare resultat med att använda kitin för att producera förbrukningsvaror lokalt, förväntar sig teamet att integrera färg strukturellt i allmän tillverkning, vilket tar bort behovet av att inkludera konstgjorda färgämnen.
Framåt ser Assoc Prof Fernandez bioinspirerad tillverkning som en ömsesidigt fördelaktig synergi mellan biologi och teknologi, som möjliggör den tekniska användningen av nya material informerade av biologiska konstruktioner och hjälper forskare att skapa kontrollerade modeller för att bättre förstå biologiska system.
Forskningen är publicerad i tidskriften Advanced Engineering Materials .
Mer information: Akshayakumar Kompa et al., storskalig artificiell produktion av Coleoptera cuticle iridescence och dess användning i konforma biologiskt nedbrytbara beläggningar, avancerade tekniska material (2024). DOI:10.1002/adem.202301713
Tillhandahålls av Singapore University of Technology and Design
