De minuscules paquets de mélanine pris en sandwich entre la kératine dans les plumes de cet étourneau africain interagissent avec la lumière pour produire les couleurs irisées de son dos. Crédit :Liliana D'Alba
Inspiré par la façon dont les plumes d'oiseaux irisées jouent avec la lumière, les scientifiques ont créé de fines couches de matériau dans une large gamme de couleurs pures, du rouge au vert, avec des teintes déterminées par la structure physique plutôt que par les pigments.
La couleur structurelle résulte de l'interaction de la lumière avec des matériaux qui ont des motifs à une échelle minuscule, qui courbent et réfléchissent la lumière pour amplifier certaines longueurs d'onde et en amortir d'autres. Mélanosomes, de minuscules paquets de mélanine trouvés dans les plumes, peau et fourrure de nombreux animaux, peut produire une couleur structurelle lorsqu'il est emballé dans des couches solides, comme ils le sont dans les plumes de certains oiseaux.
"Nous avons synthétisé et assemblé des nanoparticules d'une version synthétique de la mélanine pour imiter les structures naturelles trouvées dans les plumes d'oiseaux, " a déclaré Nathan Gianneschi, professeur de chimie et de biochimie à l'Université de Californie, San Diego. "Nous voulons comprendre comment la nature utilise des matériaux comme celui-ci, puis développer une fonction qui va au-delà de ce qui est possible dans la nature."
Les travaux de Gianneschi se concentrent sur les nanoparticules capables de détecter et de réagir à l'environnement. Il a proposé le projet après avoir entendu Matthew Shawkey, professeur de biologie à l'université d'Akron, décrire son travail sur la couleur structurelle des plumes d'oiseaux lors d'une conférence. Gianneschi, Shawkey et ses collègues des deux universités rapportent les fruits de la collaboration résultante dans la revue ACS Nano , mis en ligne le 12 mai.
Les chimistes ont synthétisé des nanoparticules de mélanine synthétique et les ont séchées en films minces pour créer une gamme de teintes pures allant du rouge au vert. L'arrangement physique des particules, plutôt que différents types de pigments, détermine les couleurs. Crédit :UC San Diego/Université d'Akron
Pour imiter les mélanosomes naturels, Yiwen Li, un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Gianneschi, lié chimiquement une molécule similaire, dopamine, en mailles. Le lié, ou polydopamine, en boules en particules sphériques de taille presque uniforme. Ming Xiao, un étudiant diplômé qui travaille avec Shawkey et le professeur de science des polymères Ali Dhinajwala à l'Université d'Akron, séché différentes concentrations des particules pour former des films minces de particules de polydopamine étroitement tassées.
Les films reflètent les couleurs pures de la lumière; rouge, Orange, jaune et vert, avec une teinte déterminée par l'épaisseur de la couche de polydopamine et le degré d'étanchéité des particules, qui se rapporte à leur taille, analyse par le groupe de Shawkey déterminé.
Les couleurs sont exceptionnellement uniformes sur tous les films, selon les mesures précises de Dimitri Deheyn, chercheur à la Scripps Institution of Oceanography de l'UC San Diego, qui étudie comment une grande variété d'organismes utilisent la lumière et la couleur pour communiquer. "Cette cartographie spatiale des spectres vous renseigne également sur les changements de couleur associés aux changements de taille ou de profondeur des particules, " a déclaré Deheyn.
Micrographies électroniques de coupes transversales de films fabriqués à partir de nanoparticules de polydopamine. L'épaisseur des couches et la densité des particules déterminent comment la lumière interagit avec les particules, et donc la couleur du film. Le film supérieur a créé une teinte rouge, le fond vert. Crédit :UC San Diego/Université d'Akron
Les qualités du matériau contribuent à son application potentielle. La teinte pure est un trait précieux dans les capteurs colorimétriques. Et contrairement aux peintures ou colorants à base de pigments, la couleur structurelle ne se décolore pas. Polydopamine, comme la mélanine, absorbe la lumière UV, Ainsi, les revêtements en polydopamine pourraient également protéger les matériaux. La dopamine est aussi une molécule biologique utilisée pour transmettre des informations dans notre cerveau, par exemple, et donc biodégradable.
"Ce qui m'a fasciné pendant 15 ans, c'est l'idée que l'on peut générer des couleurs à travers l'arc-en-ciel grâce à de légers changements de structure (à l'échelle du nanomètre), " a déclaré Shawkey dont les intérêts vont des mécanismes physiques qui produisent les couleurs à la façon dont les structures se développent dans les organismes vivants. " Cette idée de biomimétisme peut aider à résoudre des problèmes pratiques mais nous permet également de tester les hypothèses mécanistes et développementales que nous avons proposées, " il a dit.
Les mélanosomes naturels trouvés dans les plumes d'oiseaux varient en taille et en particulier en forme, formant des tiges et des sphères qui peuvent être pleines ou creuses. La prochaine étape consiste à faire varier les formes des nanoparticules de polydopamine pour imiter cette variété afin de tester expérimentalement comment la taille et la forme influencent les interactions de la particule avec la lumière, et donc la couleur du matériau. Finalement, l'équipe espère générer une palette de biocompatibles, couleur structurelle.
