ננו-חומרים צבעוניים בהשראת נוצות הציפורים

בהשראת האופן שבו הנוצות הצבעוניות של ציפורים ססגוניות מגיבות עם האור, מדענים הצליחו ליצור שכבות דקיקות של חומר חדשני במגוון צבעים טהורים – החל מאדום ועד ירוק – כאשר הצבע נקבע על פי המבנה הפיזיקלי של החומר ולא על פי הצבענים הכימיים שבתוכו.

כימאים הצליחו לסנתז ולבודד ננו-חלקיקים המהווים את הגרסה הסינתטית של מלאנין – החומר הנמצא במבנים הטבעיים של נוצות ציפורים ומעניק להן את הצבע הבוהק שלהן. צבע בסיסי מתקבל מיחסי הגומלין שבין האור לבין חומרים בעלי תבניות מבניות ברמה המיקרוסקופית, תבניות המסיטות ומחזירות את קרני האור תוך הגברת חלק מאורכי הגל והשמטת חלק אחר מתוכן. מלאנוזומים, מארזים זעירים של מלאנין הנמצאים בנוצות, בעור ובפרווה של מיני בע”ח רבים, מסוגלים לייצר צבע מבני כאשר הם נדחסים לכדי שכבות מוצקות, כמו הנראה בנוצותיהן של ציפורים.

“סנתזנו והרכבנו ננו-חלקיקים של הגרסה הסינתטית של מלאנין שנועדה לחקות את המבנים הטבעיים הנמצאים בנוצות הציפור,” אמר Nathan Gianneschi, פרופסור לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו. “רצינו להבין כיצד הטבע משתמש בחומרים מעין אלו ואז לפתח חומרים חדשים שיהיו יעילים יותר מאלו הקיימים בטבע.”

החוקרים התמקדו בננו-חלקיקים המסוגלים לחוש את הסביבה ולהגיב אליה. החוקר הראשי הגיע למיזם זה לאחר ששמע הרצאה מפיו של פרופסור לביולוגיה אודות צבע מבני בנוצות ציפורים. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב-העת המדעי ACS Nano.

על מנת לחקות את המלאנוזומים, החוקרים חיברו מולקולה דומה, דופאמין, למבנה רשתי. הפולימר המתקבל, הפולידופאמין, התארגן לכדי ננו-חלקיקים כדוריים בעלי גודל אחיד. החוקרים ייבשו ריכוזים שונים מתמיסת החלקיקים לקבלת שכבות דקיקות של חלקיקי פולידופאמין הארוזים בדחיסות. השכבות החזירו את האור של צבעים טהורים: אדום, כתום, צהוב וירוק, כאשר גון הצבע נקבע על פי עובי שכבת הפולידופאמין ומידת הדחיסות של האריזה. הצבעים הם בעלי אחידות יוצאת דופן לרוחב כל השכבה, זאת בהתאם למדידות מדויקות.

הסגולות של החומר עשויות לתרום ליישומים האפשריים שלו. צבע טהור מהווה תכונה יקרת ערך בגלאים קולורימטריים (המבוססים על שינוי צבע), ובניגוד לצבעים או לחומרי-צבע מבוססי-צבענים (פיגמנטים), צבעים מבניים אינם דוהים עם הזמן. פולידופאמין, בדומה למלאנין, קולט קרינה על-סגולה, ולפיכך, ציפויים המורכבים מפולימר זה יוכלו גם להגן על חומרים אחרים מפני הקרינה. דופאמין הוא גם מולקולה ביולוגית המשמשת להעברת מידע בגוף, ועל כן היא גם ניתנת לפרוק ביולוגי פשוט.

“מה שריתק אותי במשך 15 שנים היה הרעיון שניתן להפיק גוונים בכל צבעי הקשת באמצעות שינויים מזעריים (ברמה הננומטרית) במבנה החומר,” אמר החוקר הראשי. “הרעיון הזה של ביומימטיקה, כלומר חיקוי תכונות מהטבע, מסוגל לפתור בעיות מעשיות, אך יותר מכך הוא גם מאפשר לנו לבחון את המנגנונים והתוצאות של תיאוריות שפיתחנו,” מציין החוקר.

מלאנוזומים טבעיים הנמצאים בנוצות הציפורים נבדלים בגודל ובצורה שלהם, והם בעלי צורות של מוטות וכדוריות העשויים להיות דחוסים או חלולים. הצעד הבא של החוקרים הוא לשנות את הצורות של ננו-חלקיקי הפולידופאמין על מנת לחקות את המגוון הזה ולבחון כיצד הגודל והצורה משפיעים על יחסי הגומלין של החלקיק עם אור, כלומר – הצבע המתקבל ממנו. בסופו של דבר החוקרים מצפים לייצר קשת גוונים של צבעים מבניים בעלי תאימות ביולוגית.

תקציר המאמר
הידיעה על המחקר

חבילות זעירות של מלאנין הכרוכות בין קראטין הנמצאות בנוצות של זרזיר אפריקאי זה מגיבות עם האור לקבלת הצבעים הססגוניים בגבו. [באדיבות Liliana D’Alba]