Inspirerad av hur iriserande fågelfjädrar leker med ljus, forskare har skapat tunna filmer av material i ett brett spektrum av rena färger - från rött till grönt - med nyanser som bestäms av fysisk struktur snarare än pigment.

Strukturell färg uppstår från ljusets interaktion med material som har mönster på en minuts skala, som böjer och reflekterar ljus för att förstärka vissa våglängder och dämpa andra. Melanosomer, små paket med melanin som finns i fjädrarna, hud och päls på många djur, kan producera strukturfärg när den packas i fasta lager, som de är i fjädrarna på vissa fåglar.

"Vi syntetiserade och monterade nanopartiklar av en syntetisk version av melanin för att efterlikna de naturliga strukturerna som finns i fågelfjädrar, "sa Nathan Gianneschi, professor i kemi och biokemi vid University of California, San Diego. "Vi vill förstå hur naturen använder material som detta, sedan för att utveckla funktion som går utöver vad som är möjligt i naturen. "

Gianneschis arbete fokuserar på nanopartiklar som kan känna och reagera på miljön. Han föreslog projektet efter att ha hört Matthew Shawkey, biologiprofessor vid University of Akron, beskriv hans arbete med strukturfärgen i fågelfjädrar vid en konferens. Gianneschi, Shawkey och kollegor vid båda universiteten rapporterar frukterna av det resulterande samarbetet i tidskriften ACS Nano , publicerad online 12 maj.

För att efterlikna naturliga melanosomer, Yiwen Li, en postdoktor i Gianneschis laboratorium, kemiskt bunden en liknande molekyl, dopamin, i maskor. Den länkade, eller polydopamin, bollades upp till sfäriska partiklar av nästan enhetlig storlek. Ming Xiao, en doktorand som arbetar med Shawkey och professor i polymervetenskap Ali Dhinojwala vid University of Akron, torkade olika koncentrationer av partiklarna för att bilda tunna filmer av tätt packade polydopaminpartiklar.

Filmerna återspeglar rena färger av ljus; röd, orange, gul och grön, med nyans som bestäms av tjockleken på polydopaminskiktet och hur tätt partiklarna packas, som relaterar till deras storlek, analys av Shawkeys grupp bestämd.

Färgerna är exceptionellt enhetliga över filmerna, enligt exakta mätningar av Dimitri Deheyn, en forskare vid UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography som studerar hur en mängd olika organismer använder ljus och färg för att kommunicera. "Denna rumsliga kartläggning av spektra berättar också om färgförändringar i samband med förändringar i partiklarnas storlek eller djup, "Sa Deheyn.

Materialets kvaliteter bidrar till dess möjliga tillämpning. Ren nyans är ett värdefullt drag i kolorimetriska sensorer. Och till skillnad från pigmentbaserade färger eller färgämnen, strukturfärg bleknar inte. Polydopamin, som melanin, absorberar UV -ljus, så beläggningar gjorda av polydopamin skulle också kunna skydda material. Dopamin är också en biologisk molekyl som används för att överföra information i våra hjärnor, till exempel, och därför biologiskt nedbrytbart.

"Det som har hållit mig fascinerad i 15 år är tanken att man kan generera färger över regnbågen genom små (nanometer skala) förändringar i struktur, "sade Shawkey vars intressen sträcker sig från de fysiska mekanismer som producerar färger till hur strukturerna växer i levande organismer." Denna idé om biomimik kan hjälpa till att lösa praktiska problem men också göra det möjligt för oss att testa de mekanistiska och utvecklingshypoteser vi har föreslagit, " han sa.

Naturliga melanosomer som finns i fågelfjädrar varierar i storlek och särskilt form, formar stavar och sfärer som kan vara fasta eller ihåliga. Nästa steg är att variera formerna av nanopartiklar av polydopamin för att efterlikna den sorten för att experimentellt testa hur storlek och form påverkar partikelns interaktioner med ljus, och därför materialets färg. I sista hand, teamet hoppas kunna skapa en palett av biokompatibla, strukturell färg.