Minúsculos paquetes de melanina intercalados entre la queratina en las plumas de este estornino africano interactúan con la luz para producir los colores iridiscentes en su espalda. Crédito:Liliana D'Alba
Inspirado en la forma en que las plumas de aves iridiscentes juegan con la luz, Los científicos han creado películas delgadas de material en una amplia gama de colores puros, desde el rojo al verde, con matices determinados por la estructura física en lugar de los pigmentos.
El color estructural surge de la interacción de la luz con materiales que tienen patrones en una escala diminuta, que doblan y reflejan la luz para amplificar algunas longitudes de onda y amortiguar otras. Melanosomas, pequeños paquetes de melanina que se encuentran en las plumas, piel y pelaje de muchos animales, puede producir color estructural cuando se empaqueta en capas sólidas, como están en las plumas de algunas aves.
"Sintetizamos y ensamblamos nanopartículas de una versión sintética de melanina para imitar las estructuras naturales que se encuentran en las plumas de las aves, "dijo Nathan Gianneschi, profesor de química y bioquímica en la Universidad de California, San Diego. "Queremos entender cómo la naturaleza usa materiales como este, luego, desarrollar una función que vaya más allá de lo que es posible en la naturaleza ".
El trabajo de Gianneschi se centra en nanopartículas que pueden detectar y responder al medio ambiente. Propuso el proyecto después de escuchar a Matthew Shawkey, profesor de biología en la Universidad de Akron, describir su trabajo sobre el color estructural en las plumas de las aves en una conferencia. Gianneschi, Shawkey y sus colegas de ambas universidades informan los frutos de la colaboración resultante en la revista. ACS Nano , publicado en línea el 12 de mayo.
Los químicos sintetizaron nanopartículas de melanina sintética y las secaron en películas delgadas para crear una gama de tonos puros del rojo al verde. La disposición física de las partículas, en lugar de diferentes tipos de pigmentos, determina los colores. Crédito:UC San Diego / Universidad de Akron
Para imitar los melanosomas naturales, Yiwen Li, un becario postdoctoral en el laboratorio de Gianneschi, unida químicamente a una molécula similar, dopamina en mallas. El vinculado o polidopamina, en forma de bola en partículas esféricas de tamaño casi uniforme. Ming Xiao, un estudiante de posgrado que trabaja con Shawkey y el profesor de ciencias de polímeros Ali Dhinojwala en la Universidad de Akron, secaron diferentes concentraciones de las partículas para formar películas delgadas de partículas de polidopamina muy compactas.
Las películas reflejan colores puros de luz; rojo, naranja, amarillo y verde, con el tono determinado por el grosor de la capa de polidopamina y qué tan apretadas están las partículas, que se relaciona con su tamaño, análisis del grupo de Shawkey determinado.
Los colores son excepcionalmente uniformes en todas las películas, según medidas precisas de Dimitri Deheyn, un científico investigador de la Institución de Oceanografía Scripps de UC San Diego que estudia cómo una amplia variedad de organismos usan la luz y el color para comunicarse. "Este mapeo espacial de espectros también le informa sobre los cambios de color asociados con los cambios en el tamaño o la profundidad de las partículas, "Dijo Deheyn.
Micrografías electrónicas de secciones transversales de películas hechas de nanopartículas de polidopamina. El grosor de las capas y la densidad de las partículas determina cómo la luz interactúa con las partículas, y por tanto el color de la película. La película superior creó un tono rojo, el fondo verde. Crédito:UC San Diego / Universidad de Akron
Las cualidades del material contribuyen a su posible aplicación. El tono puro es un rasgo valioso en los sensores colorimétricos. Y a diferencia de las pinturas o tintes a base de pigmentos, el color estructural no se desvanecerá. Polidopamina, como la melanina, absorbe la luz ultravioleta, por lo que los revestimientos hechos de polidopamina también podrían proteger los materiales. La dopamina también es una molécula biológica que se utiliza para transmitir información en nuestro cerebro, por ejemplo, y por tanto biodegradable.
"Lo que me ha fascinado durante 15 años es la idea de que se pueden generar colores a través del arco iris a través de cambios leves (en escala nanométrica) en la estructura, ", dijo Shawkey, cuyos intereses van desde los mecanismos físicos que producen colores hasta cómo crecen las estructuras en los organismos vivos." Esta idea de biomimetismo puede ayudar a resolver problemas prácticos, pero también nos permite probar las hipótesis mecanicistas y de desarrollo que hemos propuesto. " él dijo.
Los melanosomas naturales que se encuentran en las plumas de las aves varían en tamaño y, en particular, en forma, formando varillas y esferas que pueden ser macizas o huecas. El siguiente paso es variar las formas de las nanopartículas de polidopamina para imitar esa variedad y probar experimentalmente cómo el tamaño y la forma influyen en las interacciones de la partícula con la luz. y por tanto el color del material. Por último, el equipo espera generar una paleta de biocompatibles, color estructural.
