La iridiscencia de las bayas de mármol y la astucia, Las perforaciones ligeras de microalgas están inspirando a los científicos a crear purpurina biodegradable y pigmentos de maquillaje. y algas biónicas para usar en láseres o para limpiar contaminantes.

La naturaleza ha pasado millones de años desarrollando respuestas a problemas. Ha ideado soluciones ingeniosas para construir estructuras sólidas, cosechar energía y producir colores iridiscentes. Los científicos recurren cada vez más al mundo natural en busca de inspiración para crear nuevos materiales y tecnologías más ecológicos.

En el laboratorio de la Dra. Silvia Vignolini en la Universidad de Cambridge, REINO UNIDO, Los científicos están diseñando purpurina biodegradable y tintes naturales para colorantes alimentarios y cosméticos como parte de un proyecto llamado PlaMatSu.

Para hacer esto, utilizan celulosa, una fibra natural que da fuerza y ​​rigidez a los árboles y las plantas, utilizado para hacer papel. "Es el material más abundante que tenemos en el planeta, "dijo el Dr. Vignolini." Todos piensan en su fuerza, pero no todo el mundo sabe que se puede utilizar celulosa para fabricar pigmentos ".

La celulosa pura es blanca como la nieve. Para conjurar colores El Dr. Vignolini talla pequeñas formas de celulosa de las que la luz rebota como colores brillantes, algo que se llama color estructural.

"Al estructurar el material a nanoescala, la luz interactúa con ella de una manera que crea color, "El Dr. Vignolini dijo:piense en los tonos que generan las pompas de jabón al doblar la luz, o las alas de colores de una mariposa. En estos ejemplos, el color cambia según el ángulo de visión.

El Dr. Vignolini se inspiró en los colores iridiscentes del mundo natural causados ​​por la estructura de un material en lugar de la presencia de pigmentos. El fruto azul metálico brillante de la baya de mármol (condensado de Pollia) es uno de los ejemplos más llamativos que ha estudiado el Dr. Vignolini. con reflectancia de color que cambia entre las células y le da a la fruta un aspecto brillante. Un ejemplo diferente es el escarabajo Cyphochilus, que descubrió que es más blanco que el papel, gracias a escamas ultrafinas que desvían todos los colores.

Color estructural

El laboratorio del Dr. Vignolini ha utilizado color estructural para fabricar pigmentos y purpurina totalmente biodegradables. que podría usarse en maquillaje o como confeti, por ejemplo. La purpurina convencional está hecha de micropartículas de polímero, mientras que la purpurina del Dr. Vignolini está hecha solo de celulosa de forma especial.

"Está hecho del mismo material que se encuentra en cada pared celular de las plantas. Produce el 40% de una ensalada, "dijo la Dra. Vignolini de su brillo." No es dañino si se dispersa en el medio ambiente, y también es comestible ".

Colabora con empresas de cosmética para generar productos a base de plantas pigmentos biodegradables, incluso para el maquillaje y el cuidado de la piel.

También trabaja en nuevos colorantes alimentarios estructurales a partir de desechos orgánicos, ya que la industria alimentaria está trabajando para reemplazar los colorantes sintéticos. "Podemos utilizar las sobras de los procesos de fabricación de papel, o residuos agrícolas, como cáscara de mango o plátano, que es rico en celulosa, y luego usarlo para hacer coloración, "dijo el Dr. Vignolini.

Otros en la red PlaMatSu están mirando más allá del color para implementar ideas de superficie extraídas de la naturaleza. Equipos de la Universidad de Friburgo, Alemania, y Universidad de Friburgo, Suiza, están observando cómo las superficies rugosas de las plantas disuaden a los insectos. Podrían fabricar materiales biodegradables que podrían rociarse para evitar que los insectos se alimenten de un cultivo o paredes para disuadirlos.

Para el profesor Gianluca Maria Farinola de la Universidad de Bari, Italia, un químico sintético, las hermosas estructuras manipuladoras de luz de pequeñas algas llamadas diatomeas tienen muchos usos posibles.

Ha investigado moléculas y nanoestructuras para tecnologías LED, células solares y dispositivos ópticos. Mientras enseña a estudiantes de ciencias ambientales de pregrado, se encontró con diatomeas. Se inspiró para crear algas biónicas que pueden manipular la luz para tecnologías láser o para administrar medicamentos.

Diatomeas

Las diatomeas son algas unicelulares, cada uno encerrado en sílice, su propia casa de cristal. Estos pueden tener forma de abanico o de varilla, zigzag, circular, o triangular. "Son hermosos objetos naturales que han inspirado a artistas, diseñadores de moda y arquitectos, ", dijo el profesor Farinola. Ocurren en los mares, lagos y estanques y fabricamos al menos el 20% del oxígeno que respiramos.

"Las especies más grandes se pueden ver a simple vista, pero solo como pequeños puntos, ", dijo el profesor Farinola." No se puede apreciar la belleza de su forma y estructura ".

Bajo un microscopio es posible que vea poros o una variedad de crestas y elevaciones. Estas marcas enfocan las mejores longitudes de onda de luz a la célula para la fotosíntesis, mientras dispersa o filtra las longitudes de onda dañinas. Los convierte en estructuras fotónicas naturales, lo que significa que son capaces de manipular la luz.

"Los cristales fotónicos se utilizan mucho en tecnologías láser, "dijo el profesor Farinola, y cree que las diatomeas pueden inspirar a los investigadores a crear nuevas tecnologías fotónicas para la detección de luz, informática o robótica, por ejemplo.

Como parte de la red BEEP que explora materiales de recolección solar bioinspirados, El Prof. Farinola está cursando un doctorado. estudiante para estudiar la fotosíntesis de diatomeas y crear una diatomea biónica con una pieza adicional de equipo de recolección de luz:ciertas moléculas.

"Incorporamos moléculas que cubren un rango de longitudes de onda que la diatomea no absorbe naturalmente, ", dijo el profesor Farinola. Esto actúa como una antena artificial para absorber luz adicional y sobrecargar la fotosíntesis. Esto debería impulsar el crecimiento de diatomeas en un tanque de agua de mar.

La investigación del profesor Farinola puede ver el cultivo de diatomeas especiales para administrar medicamentos. Su laboratorio en Bari puede modificar sus invernaderos después de quitar la celda del interior, o adjuntar una sustancia a la comida de diatomeas para introducirla dentro de la cáscara. Su grupo adjuntó moléculas antioxidantes en las conchas de las diatomeas que luego engancharon el antibiótico ciprofloxacina, que potencialmente podría entregarse dentro de un paciente.

En otro ejemplo, las diatomeas vivas absorbieron bifosfonatos, que es un fármaco bien conocido por mejorar el estado óseo en pacientes con osteoporosis. "Luego eliminamos toda la materia viva y nos queda sílice con bisfosfonato, ", dijo el profesor Farinola. Él prevé cubrir un implante con estas cubiertas de sílice para estimular el crecimiento óseo después de la cirugía. aunque esto aún no se ha probado en pacientes.

Su equipo también está estudiando cómo se podría usar la sílice de las conchas de diatomeas para limpiar diferentes contaminantes del medio ambiente. Los investigadores cubrieron las conchas de diatomeas muertas con un polímero especial (polidopamina) y pegaron enzimas que, en principio, podrían usarse para descomponer contaminantes. según el Prof. Farinola.

Al reunir a los biólogos, expertos en algas, físicos, químicos sintéticos e investigadores emergentes, BEEP tiene como objetivo explorar cómo los microorganismos pueden ayudarnos a generar nuevas tecnologías.

"Queremos traspasar la frontera entre biología, la química y la física en el contexto del estudio de las plantas, "dijo el Dr. Vignolini, quien coordina BEEP. Ella ve esta red y PlatMaSu como, con suerte, posibilitando nuevas, materiales más ecológicos que satisfacen las necesidades sociales.

Pigmento vs color estructural

El color del pigmento absorbe y refleja diferentes longitudes de onda de luz visible, cada uno de los cuales corresponde a un color particular. Si una pared pintada absorbe todas las longitudes de onda de luz excepto la azul, entonces la pared se verá azul. Los pigmentos químicos producen un color que se ve igual desde todos los ángulos y se desvanecerá con el tiempo.

A diferencia de, el color estructural no absorbe la luz, sino que lo refleja a partir de estructuras como escalas. La longitud de onda de la luz reflejada depende de la orientación del objeto y del ángulo desde el que el espectador lo ve. Las estructuras de varias capas pueden causar iridiscencia, ya que el color cambia según el ángulo de visión. A diferencia de los pigmentos químicos, el color estructural es resistente a la decoloración. Está muy extendido en el mundo natural, y se puede encontrar en camaleones y plumas de pavo real.