مواد نانوية ملونة مستوحاة من ريش الطيور

مستوحاة من الطريقة التي يتفاعل بها الريش الملون للطيور الملونة مع الضوء، نجح العلماء في إنشاء طبقات رقيقة من مادة مبتكرة بمجموعة متنوعة من الألوان النقية - من الأحمر إلى الأخضر - حيث يتم تحديد اللون من خلال البنية الفيزيائية للمادة و وليس عن طريق الأصباغ الكيميائية الموجودة بداخله.

نجح الكيميائيون في تصنيع وعزل الجسيمات النانوية التي هي النسخة الاصطناعية من الميلانين - المادة الموجودة في التركيبات الطبيعية لريش الطيور ومنحها لونها الزاهي. يتم الحصول على اللون الأساسي من العلاقات المتبادلة بين الضوء والمواد ذات الأنماط الهيكلية على المستوى المجهري، وهي الأنماط التي تنحرف وتعكس أشعة الضوء مع تضخيم بعض الأطوال الموجية وإغفال جزء آخر منها. الميلانوزومات، وهي حزم صغيرة من الميلانين توجد في الريش والجلد والفراء للعديد من أنواع النحل، قادرة على إنتاج لون هيكلي عند ضغطها في طبقات صلبة، كما يظهر في ريش الطيور.

وقال ناثان جيانيشي، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "لقد قمنا بتركيب وتجميع جزيئات نانوية من النسخة الاصطناعية من الميلانين المصممة لتقليد الهياكل الطبيعية الموجودة في ريش الطيور". "أردنا أن نفهم كيف تستخدم الطبيعة مثل هذه المواد ومن ثم تطوير مواد جديدة ستكون أكثر فعالية من تلك الموجودة في الطبيعة."

وركز الباحثون على الجسيمات النانوية القادرة على استشعار البيئة والتفاعل معها. جاء الباحث الرئيسي إلى هذا المشروع بعد الاستماع إلى محاضرة من أستاذ علم الأحياء حول اللون الهيكلي في ريش الطيور. تم نشر نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية ACS Nano.

ومن أجل تقليد الميلانوزومات، ربط الباحثون جزيئًا مشابهًا، الدوبامين، ببنية شبكية. البوليمر الناتج، بوليدوبامين، منظم في جسيمات نانوية كروية ذات حجم موحد. قام الباحثون بتجفيف تركيزات مختلفة من محلول الجسيمات للحصول على طبقات رقيقة من جزيئات البوليدوبامين المكتظة بكثافة. عكست الطبقات ضوء الألوان النقية: الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر، مع تحديد اللون حسب سمك طبقة البوليدوبامين ودرجة تماسك العبوة. تتمتع الألوان بتوحيد غير عادي في جميع أنحاء الطبقة بأكملها، وذلك وفقًا للقياسات الدقيقة.

قد تساهم خصائص المادة في تطبيقاتها المحتملة. يعد اللون النقي خاصية قيمة في أجهزة الكشف اللونية (المعتمدة على تغير اللون)، وعلى عكس الأصباغ أو الأصباغ الصبغية (الأصباغ)، فإن الألوان الهيكلية لا تتلاشى بمرور الوقت. يمتص البوليدوبامين، مثل الميلانين، الأشعة فوق البنفسجية، وبالتالي فإن الطلاءات المكونة من هذا البوليمر ستكون أيضًا قادرة على حماية المواد الأخرى من الإشعاع. الدوبامين هو أيضًا جزيء بيولوجي يستخدم لنقل المعلومات في الجسم، وبالتالي يمكن أيضًا أن يتحلل حيويًا بسهولة.

وقال الباحث الرئيسي: "ما أذهلني لمدة 15 عامًا هو فكرة أنه من الممكن إنتاج ظلال بجميع ألوان قوس قزح من خلال تغييرات دقيقة (على مستوى النانومتر) في بنية المادة". ويشير الباحث إلى أن "فكرة المحاكاة الحيوية هذه، أي تقليد ميزات من الطبيعة، قادرة على حل المشكلات العملية، ولكن أكثر من ذلك، فهي تسمح لنا أيضًا بفحص آليات ونتائج النظريات التي طورناها".

تختلف الميلانوزومات الطبيعية الموجودة في ريش الطيور من حيث الحجم والشكل، ولها أشكال قضيبية وكروية قد تكون مضغوطة أو مجوفة. الخطوة التالية للباحثين هي تغيير أشكال جسيمات البوليدوبامين النانوية من أجل محاكاة هذا التنوع ودراسة كيفية تأثير الحجم والشكل على تفاعل الجسيم مع الضوء، أي اللون الذي يتم الحصول عليه منه. وفي النهاية، يتوقع الباحثون إنتاج مجموعة من الألوان الهيكلية المتوافقة بيولوجيًا.

ملخص المقال
أخبار الدراسة

حزم صغيرة من الميلانين مرتبطة بالكيراتين الموجودة في ريش هذا الزرزور الأفريقي تتفاعل مع الضوء لإنتاج الألوان المتقزحة على ظهره. [بإذن من ليليانا دالبا]