Phát triển cấu trúc quang học có khả năng phân hủy sinh học từ chitin

Lấy cảm hứng từ lớp biểu bì của bọ cánh cứng, các nhà khoa học đã phát triển các cấu trúc quang học có thể tạo ra màu sắc rực rỡ, lấp lánh và có thể phân hủy sinh học hoàn toàn bằng cách sử dụng chitin - vật liệu hữu cơ dồi dào thứ hai trên thế giới.

Tái tạo màu sắc cấu trúc của bọ cánh cứng trên polyme chitin. Nguồn: phys.org

Trong lịch sử, các nhà khoa học thường lấy cảm hứng từ thiên nhiên để giải quyết các vấn đề và phát triển công nghệ mới, từ máy bay của da Vinci được mô phỏng theo loài chim cho đến những bộ đồ bơi mô phỏng da cá mập.

Dựa trên cảm hứng từ thiên nhiên, một thập kỷ trước, PGS. Javier Fernandez ở Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore (SUTD) đã nghiên cứu về phương pháp sắp xếp các phân tử tự nhiên để tái tạo các đặc tính của các vật liệu tự nhiên. “Bằng cách kết hợp các phân tử với cách sắp xếp trong tự nhiên, chúng ta có thể sử dụng chúng mà không cần chỉnh sửa, tạo ra các vật liệu tích hợp hoàn toàn vào các chu trình sinh thái tự nhiên”, ông nói thêm. 

Nghiên cứu của PGS. Fernandez tập trung vào chitin. Là phân tử hữu cơ phong phú thứ hai trên Trái đất, chitin có thể tái tạo và có mặt trong mọi chu trình sinh thái. Đây cũng là vật liệu tạo nên một số cấu trúc đặc biệt nhất, chẳng hạn như đôi cánh cứng và nhẹ của côn trùng, bề ngoài cứng cáp của vỏ sò và màu sắc nổi bật của loài bướm. Việc tìm hiểu về chitin có ý nghĩa lớn với các lĩnh vực kỹ thuật, do tính linh hoạt và bền vững của vật liệu này. 

Trước đây, PGS. Fernandez và các cộng sự phát hiện chitin đã được cô lập có thể kết hợp để tạo ra các vật liệu bền mà vẫn giữ nguyên tính chất quang học. Trong nghiên cứu mới công bố trên Advanced Engineering Materials, họ đã tìm hiểu cách bọ cánh cứng sử dụng chitin để tạo ra màu sắc trên quy mô lớn. Nhiều người bất ngờ khi biết nhóm nghiên cứu không học hỏi phương pháp này từ những con bọ cánh cứng đầy màu sắc. 

Những con bọ cánh cứng sống trên các loài thực vật thường sử dụng các cấu trúc phức tạp để tạo ra màu sắc rực rỡ và óng ánh với nhiều mục đích, từ truyền đạt thông tin đến đánh lạc hướng những kẻ săn mồi. Tuy nhiên, một số loài bọ cánh cứng sẫm màu sống trong môi trường tối tạo ra màu sắc mờ nhạt không có tác dụng rõ ràng. PGS. Fernandez quan tâm đến cơ chế này vì nó có cấu trúc đơn giản, có thể dễ dàng ứng dụng vào quy trình sản xuất.

Bọ cánh cứng sống trong môi trường tối có các nếp gấp chitin bao phủ bộ xương ngoài, giúp chúng di chuyển dễ dàng qua các khu vực bùn lầy và ẩm ướt. Điều thú vị là khi lớp chitin kết hợp với lớp nền giàu melanin tạo nên màu tối của côn trùng, lớp biểu bì của côn trùng trở nên óng ánh, phản chiếu những màu sắc khác nhau khi tiếp xúc với ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu phát hiện tính chu kỳ của các nếp gấp chitin không được tối ưu hóa một cách tự nhiên để tạo ra màu sắc. Do vậy, họ đã tìm cách tối ưu hóa để tạo ra các màu chitin óng ánh tương tự màu sắc được hình thành bởi cấu trúc phức tạp của những con bọ cánh cứng có màu sắc rực rỡ sống trên lá cây.

Với cấu trúc đơn giản này, chỉ trong một năm, nhóm nghiên cứu có thể mở rộng quy mô sản xuất màu, từ các mẫu siêu nhỏ để chứng minh tính khả thi cho đến các tấm màng cỡ A4. Những kết quả này không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa lớn về công nghệ.

“Vì FDA chấp thuận việc sử dụng chitin trong y tế và mỹ phẩm nên người ta có thể ứng dụng những kết quả này để tạo ra một vật liệu tổng hợp thân thiện với sức khỏe và môi trường trong các lĩnh vực y tế và mỹ phẩm”, PGS. Fernandez giải thích. 

Trong tương lai, PGS. Fernandez cho rằng những quy trình sản xuất lấy cảm hứng từ sinh học là sự kết hợp cùng có lợi giữa sinh học và công nghệ, tạo ra các vật liệu mới được thiết kế sinh học, và giúp các nhà nghiên cứu xây dựng các mô hình để hiểu rõ hơn về hệ thống sinh học.□

Thanh An lược dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2024-03-beetles-dark-sustainable.html

Tác giả