Nanoméretű mesterséges szemcsékből készített filmmel utánozta egy amerikai kutatócsoport a madártoll szerkezetét, hogy változtatható és környezetbarát színezési módot alakítsanak ki.

A hagyományos módon előállított, oldószeres festékek egészségre veszélyes kőolaj-származékok, amelyek felvitele csak átmeneti felületvédelmet nyújt, hiszen időről-időre ismételni, pótolni kell a festékréteget. UV-sugárzás hatására a pigmentszemcsék elöregedhetnek, ami a korábban ragyogó árnyalatú festék fakulásához vezet.

Ráadásul a befestett tárgy színét csak újabb festéssel változtathatjuk meg. Mi lenne, ha a fenti problémákra a természetben keresnénk megoldást, méghozzá az állatvilág talán legszínpompásabb képviselői, a madarak körében?

A természet leleményes vívmánya ugyanis az a szerkezeti felépítés, amelynek köszönhetően színesnek látjuk a madarak tollazatát. Minden toll ágacskákból áll, amelyeket három szaruréteg fed: a felső, átlátszó fedőréteg alatt szabálytalan alakú, levegővel teli, 30-300 mikron méretű üreges cellák sorakoznak a veszélyes UV-sugarakat elnyelő alsó, sötét melaninrétegen.

A cellák szórják a beeső fénysugarakat. A tollat attól függően látjuk eltérő színűnek, amilyen a cellák eloszlása, mérete, illetve alakja, vagyis a fényszórás mikéntje, továbbá a melaninrétegben esetleg megtalálható pigmentszemcsék is befolyásolják az árnyalatot.

Egy seregélyféleForrás: Liliana D'Alba

A szerkezeten múlik a szín, nem a pigmenten

A Kalifornia és a szintén amerikai Akron Egyetem biokémikusai épp a fenti fényszórási jelenséget próbálták meg utánozni. Az általuk kifejlesztett, nanoméretű részecskékből álló filmrétegek színe a vöröstől a zöldig változik, ám ezeket az árnyalatokat nem festékszemcsék, hanem a rétegek szerkezete határozza meg.

E strukturális színek a beeső fénysugarak és a különféle mintázatokba tömörült, mikroszkopikus méretű részecskék kölcsönhatásából születnek, aminek révén a felület bizonyos hullámhosszú fénynyalábokat fölerősítve visszatükröz, míg másokat kiolt, elnyel.

"Az általunk előállított nanorészecskéket vékony filmmé tömörítettük, hogy így utánozzuk a madártoll szerkezetét – nyilatkozta Nathan Gianneschi kutatásvezető, a Kalifornia Egyetem biokémia professzora. – Az a célunk, hogy a természetes folyamatot átlátva olyan alkalmazási lehetőségeket fejlesszünk ki, amelyek túlmutatnak a jelenlegi hasznosításon."

Forrás: Emmanuel Huybrechts \ Flickr

De miből legyen a struktúra alapja, a szintetikus melanin?

A kutatócsoport a melaninhoz hasonló dopaminmolekulákat kémiai úton hálós szerkezetbe rendezte. Az összekapcsolt, azaz polidopaminok közel azonos méretű, gömb alakú részecskékké szerveződtek. A kutatók eltérő koncentrációjú részecskehálókat alakítottak ki, majd ezek kiszárításával különböző polidopamin-számú, vékony filmrétegeket nyertek.

"Ilyen módon az optikai rácshoz hasonló szerkezet jön létre, amely interferencia jelenség útján hozza létre a tiszta, ragyogó monokromatikus színeket", magyarázza az amerikai kutatók munkáját Wenzel Klára, a Műegyetem  Mechatronikai, Optikai és Gépészeti Informatika tanszékének színlátással foglalkozó professzora.

A filmek visszaverik a tiszta színeket: a vöröset, a narancsot, a sárgát és a zöldet – az árnyalatot a polidopamin-réteg vastagsága, illetve a részecskék sűrűsége és mérete határozza meg. A színárnyalat és erősség kivételesen egyenletes a film minden négyzetmilliméterén. A kutatócsoport távlati terve, hogy a teljes színpalettát létrehozza strukturális módon.

A strukturális színek a természetben számtalan biológiai célt szolgálnak, a szexuális figyelemfelkeltéstől kezdve az álcázáson keresztül az elriasztásig. E színek rendkívül ellenállóak a kémiai és a fénysugarak okozta fakulással szemben, hiszen a részecskék mintázatba rendeződésével, fizikai módon keletkeznek. A madártollban található részecskék lehetnek gömb, pálca vagy korong alakúak, teljesen vagy részlegesen üregesek, ennek köszönhető a fénytörés különböző mértéke, vagyis az eltérő színekForrás: American Chemical Society

Lenyűgöző hasznosítási lehetőségek

Gianneschi másfél évtizede folytatott kutatásának eredendő célja a környezetüket érzékelő és arra reagáló nanorészecskék, illetve felületek kifejlesztése volt. De a megbízható, mindig ugyanolyan árnyalatoknak a színösszehasonlításon alapuló kolorimetrikus érzékelők gyártásában is óriási szerepe lehet, ilyen például egy olyan fotoszenzor készülék, amely mondjuk a veszélyes gázok jelenlétét színváltozással jelzi.

A pigment alapú festékekkel ellentétben a strukturális színek nem halványulnak el, tehát az adott felület legfeljebb korrózióvédelmet igényel. Akárcsak a természetes melanin, a polidopamin is elnyeli az UV-sugarakat, tehát megvédi a felületkezelt anyagot.

A dopamin egyébként az agyi idegsejtek közötti információtovábbításért felelős természetes vegyület, ennélfogva biológiai úton lebomlik, szemben a kőolajalapú, hagyományos festékekkel és oldószereikkel, amelyek rendkívül veszélyesek az egészségünkre és a környezetre.

A hagyományos festékek veszélyesek az egészségünkre és a környezetreForrás: Wikimedia Commons

Hangulatkövető tárgyak

Ami a színmódosítást illeti, ahhoz át kell szervezni a polidopamin részecskéket más mintázatba – ez egyszer remélhetőleg külső (például elektromos) impulzus hatására, a részecskék önszerveződő módján is működhet.

 A struktúra megváltoztatásával végbemenő, fizikai átszínezési mechanizmusnak egész sor területen hasznát vennénk, például kedvünk szerint cserélgethetnénk az autónk vagy a mobiltelefonunk színét, vagy hőelnyelővé, illetve -visszaverővé kapcsolgathatnánk bizonyos felületeket.

"Az optikai rácsok színei irizálóak – mondja Wenzel Klára. – Az alkalmazásnak korlátokat szabhat, hogy a finom, nanométeres felületi struktúrák az időjárás viszontagságai, por és eső miatt feltehetőleg hamar eltömődnek."