מחקר בהובלת אוניברסיטת בן־גוריון חושף כיצד שפריריות מפיקות צבע כחול־ירוק רווי ממבנים ננומטריים לא מושלמים. המנגנון עשוי לסייע בפיתוח צבעים מבניים בני־קיימא
כיצד מצליחים בעלי חיים בטבע לייצר צבעים עזים, יציבים ולעיתים כמעט בלתי דוהים, בלי להסתמך על צבעים כימיים כמו אלה המשמשים בתעשייה? מחקר חדש בהובלת אוניברסיטת בן־גוריון בנגב מציע תשובה מפתיעה: השפריריות אינן “מתגברות” על אי־הסדר במבנים הזעירים שעל גופן, אלא משתמשות בו בצורה מבוקרת.
המחקר, שפורסם בכתב העת PNAS, עסק בשפריריות כחולות־זנב ובמנגנונים האופטיים שמאפשרים להן להפיק צבעים כחולים וירוקים רוויים. בראש המחקר עמדו פרופ’ בן פלמר מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן־גוריון ותלמידת הדוקטורט טלי למקוף, בשיתוף חוקרים ממכון ויצמן למדע, אוניברסיטת לונד בשוודיה ואוניברסיטת אלטו בפינלנד. (pnas.org)
צבע שמגיע ממבנה, לא מצבע
רוב הצבעים המוכרים לנו מחיי היומיום נוצרים מפיגמנטים: חומרים שבולעים חלק מאורכי הגל ומחזירים אחרים. בטבע קיימת דרך נוספת – צבע מבני. במקרה כזה הצבע נוצר לא בגלל מולקולת צבע מסוימת, אלא בגלל האופן שבו האור מתפזר, נשבר ומתאבך במבנים זעירים בגודל ננומטרי.
הבעיה היא שמבנים טבעיים כאלה אינם אחידים לגמרי. כאשר החלקיקים שונים מעט בגודלם או בסידורם, הצבע עלול להיות חלש, דהוי או תלוי בזווית הראייה. לכן קשה במיוחד לקבל צבע מבני רווי שאינו משתנה מאוד עם הזווית. במחקר החדש הראו החוקרים כי השפריריות פותרות את הבעיה באמצעות “זכוכית פוטונית” ביולוגית – אוסף של ננו־כדוריות לא מסודרות לחלוטין, אך מותאמות היטב מבחינה אופטית.
שתי תחבולות אופטיות של הטבע
החוקרים זיהו שני מנגנונים מרכזיים. הראשון קשור ליחס בין גודל הננו־כדוריות לבין מקדם השבירה שלהן. כאשר הכדוריות גדולות יותר, מקדם השבירה שלהן נמוך יותר. כך, אף שהחלקיקים אינם זהים בגודלם, הם מחזירים אור באופן שמייצר גוון עקבי יותר. במילים אחרות, הגוף הביולוגי מפצה על השונות בגודל באמצעות שינוי בתכונות החומר.
המנגנון השני הוא שילוב של פיגמנט צהוב בתוך הכדוריות השקופות למחצה. הפיגמנט אינו “צובע” את השפרירית במובן הרגיל, אלא מסנן אורכי גל לא רצויים ומחדד את ההחזרה בתחום הכחול־ירוק. התוצאה היא צבע רווי יותר, שאינו תלוי רק בפיזור האור אלא גם בסינון אופטי פנימי.
המחקר מצא גם שהצבע משתנה במהלך התבגרות השפרירית: אצל זכרים צעירים מופיע גוון ירוק יותר, ואצל זכרים בוגרים מתקבל כחול בולט. שינוי זה קשור לשינויים מבוקרים בגודל, בצפיפות ובגבישיות של הננו־כדוריות בתאי הצבע.
לא עוד “צבע ירוק” כסיסמה
החשיבות של הממצא אינה בכך שמחר תעשיית הצבעים תחליף את כל חומרי הצביעה שלה בשפריריות, אלא בכך שהמחקר חושף עקרון הנדסי ביולוגי: אפשר להפיק צבעים מבניים חזקים גם ממערכות לא מושלמות ואפילו לא מסודרות לחלוטין. זהו כיוון חשוב לפיתוח חומרים אופטיים חדשים, למשל לצבעים, ציפויים, טקסטיל, קוסמטיקה, הדפסה ואמצעים נגד זיוף.
“הטבע מצא דרך אלגנטית להפליא לייצר צבעים מושלמים תוך שימוש ברכיבים שאינם מושלמים”, אמר פרופ’ פלמר. לדבריו, האסטרטגיות שנחשפו בשפריריות עשויות לסייע בעתיד בייצור חומרים אופטיים יעילים ובני־קיימא, במקום חלק מהכימיקלים המשמשים כיום בתעשייה.
למקוף הוסיפה כי המנגנון עשוי לפתוח דרך לייצור צבעים מבניים יציבים שאינם דוהים בקלות בשמש. עם זאת, מדובר בשלב מחקרי בסיסי: הדרך מביולוגיה של שפריריות ועד צבעים מסחריים רחבה, ותדרוש פיתוח חומרים ותהליכי ייצור מתאימים.
במחקר השתתפו גם לוטם אלוס ופרופ’ דן אורון ממכון ויצמן למדע; ד”ר אלברט בטושנסקי, יהל פישמן, נילה תאודור, קשת שביט ולהב הייטנר מאוניברסיטת בן־גוריון; ד”ר אלמוט קלבר מאוניברסיטת לונד; וד”ר יוהנס האאטג’ה מאוניברסיטת אלטו.
FAQ קצר:
מהו צבע מבני? צבע שנוצר מהאינטראקציה של אור עם מבנים זעירים, ולא רק מפיגמנט כימי.
מה גילו החוקרים? שהשפריריות משלבות שינוי במקדם השבירה של ננו־כדוריות עם פיגמנט צהוב המסנן אור לא רצוי.
למה זה חשוב? המנגנון עשוי לעזור בפיתוח צבעים וציפויים יציבים ובני־קיימא, אם יתורגם בעתיד לחומרים תעשייתיים.
עוד בנושא באתר הידען:
