L'irisation des baies marbrées et l'astucieux, les perforations de microalgues qui courbent la lumière inspirent les scientifiques à créer des paillettes et des pigments de maquillage biodégradables, et les algues bioniques à utiliser dans les lasers ou pour nettoyer les polluants.

La nature a passé des millions d'années à trouver des réponses aux problèmes. Elle a imaginé des solutions ingénieuses pour construire des structures solides, récolter de l'énergie et produire des couleurs irisées. Les scientifiques se tournent de plus en plus vers le monde naturel pour trouver l'inspiration pour créer de nouveaux, des matériaux et des technologies plus écologiques.

Dans le laboratoire du Dr Silvia Vignolini à l'Université de Cambridge, ROYAUME-UNI, des scientifiques conçoivent des paillettes biodégradables et des colorants naturels pour les colorants alimentaires et les cosmétiques dans le cadre d'un projet appelé PlaMatSu.

Pour faire ça, ils utilisent de la cellulose, une fibre naturelle qui donne force et rigidité aux arbres et aux plantes, utilisé pour faire du papier. "C'est la matière la plus abondante que nous ayons sur la planète, " dit le docteur Vignolini. " Tout le monde pense à sa force, mais tout le monde ne sait pas qu'on peut utiliser de la cellulose pour fabriquer des pigments."

La cellulose pure est blanche comme neige. Pour conjurer les couleurs, Le Dr Vignolini sculpte de minuscules formes dans de la cellulose sur lesquelles la lumière rebondit sous forme de couleurs vives, ce qu'on appelle la couleur structurelle.

« En structurant le matériau à l'échelle nanométrique, la lumière interagit avec elle d'une manière qui crée de la couleur, " a déclaré le Dr Vignolini - pensez aux teintes que les bulles de savon génèrent en courbant la lumière, ou les ailes colorées d'un papillon. Dans ces exemples, la couleur change en fonction de l'angle de vue.

Le Dr Vignolini s'est inspiré des couleurs irisées du monde naturel causées par la structure d'un matériau plutôt que par la présence de pigments. Le fruit bleu métallique brillant de la baie marbrée (condensat de Pollia) est l'un des exemples les plus frappants étudiés par le Dr Vignolini, avec une réflectance de couleur changeant entre les cellules et donnant au fruit un aspect scintillant. Un autre exemple est le scarabée Cyphochilus, qu'elle découvrit plus blanc que le papier, grâce à des écailles ultra-fines déviant toutes les couleurs.

Couleur structurelle

Le laboratoire du Dr Vignolini a utilisé une couleur structurelle pour fabriquer des pigments et des paillettes entièrement biodégradables, qui pourrait être utilisé en maquillage ou en confettis, par exemple. Les paillettes classiques sont fabriquées à partir de microparticules de polymère, tandis que les paillettes du Dr Vignolini sont faites uniquement de cellulose de forme spéciale.

"Ceci est fabriqué à partir du même matériau que dans chaque paroi cellulaire des plantes. Cela fait 40% d'une salade, " a déclaré le Dr Vignolini de ses paillettes. " Ce n'est pas nocif s'il se disperse dans l'environnement, et c'est aussi comestible."

Elle collabore avec des entreprises cosmétiques pour générer des produits à base de plantes, pigments biodégradables, y compris pour le maquillage et les soins de la peau.

Elle travaille également sur de nouveaux colorants alimentaires structuraux issus de déchets organiques, alors que l'industrie alimentaire s'efforce de remplacer les colorants synthétiques. « Nous pouvons utiliser les restes des processus de fabrication du papier, ou déchets agricoles, comme la mangue ou la peau de banane, qui est riche en cellulose, puis l'utiliser pour faire de la coloration, " dit le docteur Vignolini.

D'autres dans le réseau PlaMatSu regardent au-delà de la couleur pour déployer des idées de surface tirées de la nature. Les équipes de l'Université de Fribourg, Allemagne, et Université de Fribourg, La Suisse, étudient comment les surfaces rugueuses des plantes dissuadent les insectes. Ils pourraient fabriquer des matériaux biodégradables qui pourraient être pulvérisés pour empêcher les insectes de se nourrir sur une culture ou sur les murs pour dissuader les insectes.

Pour le professeur Gianluca Maria Farinola de l'Université de Bari, Italie, un chimiste de synthèse, les belles structures manipulant la lumière de minuscules algues appelées diatomées ont de nombreuses utilisations possibles.

Il a étudié des molécules et des nanostructures pour les technologies LED, cellules solaires et dispositifs optiques. Tout en enseignant aux étudiants de premier cycle en sciences de l'environnement, il a rencontré des diatomées. Il s'est inspiré pour créer des algues bioniques capables de manipuler la lumière pour les technologies laser ou pour administrer des médicaments.

Diatomées

Les diatomées sont des algues unicellulaires, chacun enrobé de silice, leur propre maison de verre. Ceux-ci peuvent être en forme d'éventail ou de tige, zigzag, circulaire, ou triangulaire. "Ce sont de beaux objets naturels qui ont inspiré les artistes, créateurs de mode et architectes, " a déclaré le professeur Farinola. Ils se produisent dans les mers, lacs et étangs et fabriquer au moins 20 % de l'oxygène que nous respirons.

"La plus grande espèce peut être vue à l'œil nu, mais seulement sous forme de petits points, " a déclaré le professeur Farinola. "Vous ne pouvez pas apprécier la beauté de leur forme et de leur structure."

Sous un microscope, vous pouvez voir des pores ou une variété de crêtes et d'élévations. Ces marquages ​​focalisent les meilleures longueurs d'onde de la lumière vers la cellule pour la photosynthèse, tout en diffusant ou en filtrant les longueurs d'onde nocives. Il en fait des structures photoniques naturelles, ce qui signifie qu'ils sont capables de manipuler la lumière.

"Les cristaux photoniques sont beaucoup utilisés dans les technologies laser, " a déclaré le professeur Farinola, et il pense que les diatomées peuvent inspirer les chercheurs à créer de nouvelles technologies photoniques pour la détection de la lumière, informatique ou robotique, par exemple.

Dans le cadre du réseau BEEP explorant les matériaux de récolte solaire bio-inspirés, Le professeur Farinola entreprend un doctorat. étudiant pour étudier la photosynthèse des diatomées et créer une diatomée bionique avec une pièce supplémentaire d'équipement de collecte de lumière - certaines molécules.

"Nous incorporons des molécules qui couvrent une gamme de longueurs d'onde que la diatomée n'absorbe pas naturellement, " a déclaré le professeur Farinola. Cela agit comme une antenne artificielle pour absorber la lumière supplémentaire et augmenter la photosynthèse. Cela devrait stimuler la croissance des diatomées dans un réservoir d'eau de mer.

Les recherches du professeur Farinola pourraient voir des diatomées spéciales cultivées pour l'administration de médicaments. Son laboratoire à Bari peut soit modifier leurs serres après avoir retiré la cellule à l'intérieur, ou attachez une substance à la nourriture des diatomées pour la glisser à l'intérieur de la coquille. Son groupe a attaché des molécules antioxydantes sur des coquilles de diatomées qui ont ensuite accroché l'antibiotique ciprofloxacine, qui pourrait potentiellement être délivré à l'intérieur d'un patient.

Dans un autre exemple, les diatomées vivantes ont absorbé des bisphosphonates, qui est un médicament bien connu pour améliorer l'état osseux chez les patients atteints d'ostéoporose. "On enlève alors toute la matière vivante et il reste de la silice avec du bisphosphonate, " a déclaré le Pr Farinola. Il envisage de recouvrir un implant avec ces coquilles de silice afin de stimuler la croissance osseuse après la chirurgie, bien que cela n'ait pas encore été essayé chez les patients.

Son équipe étudie également comment la silice des coquilles de diatomées pourrait être utilisée pour nettoyer différents polluants dans l'environnement. Les chercheurs ont recouvert les coquilles de diatomées mortes avec un polymère spécial (polydopamine) et collé sur des enzymes qui pourraient en principe être utilisées pour décomposer les polluants, selon le professeur Farinola.

En réunissant des biologistes, experts en algues, physiciens, chimistes de synthèse et chercheurs émergents, BEEP vise à explorer comment les micro-organismes peuvent nous aider à générer de nouvelles technologies.

"Nous voulons briser la frontière entre la biologie, la chimie et la physique dans le cadre de l'étude des plantes, " dit le docteur Vignolini, qui coordonne BEEP. Elle considère ce réseau et PlatMaSu comme permettant, espérons-le, de nouvelles, des matériaux plus verts qui répondent aux besoins sociaux.

Pigment vs couleur structurelle

La couleur du pigment absorbe et réfléchit différentes longueurs d'onde de la lumière visible, dont chacune correspond à une couleur particulière. Si un mur peint absorbe toutes les longueurs d'onde de la lumière à l'exception du bleu, alors le mur aura l'air bleu. Les pigments chimiques produisent une couleur qui a la même apparence sous tous les angles et qui s'estompera avec le temps.

En revanche, la couleur structurelle n'absorbe pas la lumière, mais le reflète plutôt à partir de structures telles que des échelles. La longueur d'onde de la lumière réfléchie dépend de l'orientation de l'objet et de l'angle sous lequel le spectateur le voit. Les structures multicouches peuvent provoquer des irisations, car la couleur change en fonction de l'angle de vue. Contrairement aux pigments chimiques, la couleur structurelle résiste à la décoloration. Il est répandu dans le monde naturel, et peut être trouvé dans les caméléons et les plumes de paon.