Wetenschapper ontdekt hoe bladvogels complexe kleurproducerende kristallen maken

Een recent onderzoek door een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Vinod Kumar Saranathan van de Afdeling Wetenschap van het Yale-NUS College heeft een complex, driedimensionaal kristal ontdekt, de enkele gyroid genaamd, in de veren van de blauwvleugelbladvogel. De doorbraak van Dr. Saranathan en zijn team kwam van hun onderzoek naar de verenkleuren van bladvogels, een raadselachtige groep neerstrijkende vogels die endemisch is in Zuid- en Zuidoost-Azië (inclusief Singapore), waarvan één soort de unieke kristallen in zijn verenkleed heeft ontwikkeld.

Door de kleurproducerende nanostructuren die aanwezig zijn in naaste verwanten te vergelijken, meldde het team dat deze soort in staat is om direct enkele gyroïde fotonische kristallen te synthetiseren, die zeer wenselijke optische en elektronische eigenschappen hebben waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in fotovoltaïsche cellen om zonne-energie te genereren. Het gebruik van dit kristal – een “bekroning” in de materiaalwetenschapstechniek die tot nu toe slechts met grote moeite is vervaardigd – heeft niet alleen het potentieel om fotovoltaïsche cellen te verbeteren, wat betekent dat ze gemakkelijker en goedkoper kunnen worden geproduceerd, maar ook voor gebruik in andere industriële toepassingen zoals katalyse in brandstofcellen en glasvezel.

Gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), is deze studie met name relevant omdat de zoektocht naar hernieuwbare energiebronnen en duurzame productie een nieuwe urgentie heeft gekregen.

Dr. Saranathan, die een gelijktijdige aanstelling heeft aan de afdeling Biologische Wetenschappen van de Nationale Universiteit van Singapore, zei: “Momenteel kunnen we niet industrieel enkelvoudige gyroïde fotonische kristallen produceren om in het zichtbare lichtspectrum te werken, via zelfassemblage, een proces dat spontaan brengt chemische ‘Lego-blokken’ op nanoschaal samen. Grotere kristallen kunnen worden vervaardigd en vervolgens met warmte gekrompen om met zichtbaar licht te werken, maar tot nu toe kan dit alleen op kleine schaal worden gedaan en is niet vrij van defecten. Zo is onze ontdekking van de eerste direct zelf-geassembleerde enkele gyroid-kristallen die de wetenschap kent, gevonden in deze bladvogels, denken we dat revolutionair is.De manier waarop bladvogels deze kristallen maken, is veel eenvoudiger dan hoe vlinders – waarvan sommige dezelfde structuur gebruiken in hun vleugelschubben – of het is bekend dat materiaalwetenschappers dat doen.”

“Ons onderzoek geeft een duidelijk inzicht in de klasse van fragmentarische deeltjes zoals geladen eiwitten die onderzoekers in de toekomst kunnen onderzoeken, om te zien of ze kunnen worden overgehaald om deze kristallen te vormen op schalen van zichtbaar licht. Weten hoe bladvogels deze exotische structuren maken, kan nieuwe biomimetische milieuvriendelijke zelfassemblagestrategieën voor grootschalige materiaalsynthese op deze zeer uitdagende optische lengteschalen, gezien de dringende ecologische behoefte aan dergelijke materialen.”