[논문] 어둠 속에 사는 딱정벌레는 우리에게 지속 가능한 색상을 만드는 방법을 가르쳐줍니다.

딱정벌레 큐티클에서 영감을 받아 과학자들은 세계에서 두 번째로 풍부한 유기 물질인 키틴을 사용하여 선명하고 무지개 빛깔이며 완전히 생분해 가능한 색상을 생성할 수 있는 광학 구조를 개발했습니다.

싱가포르 기술 디자인 대학(SUTD)의 Javier Fernandez 부교수는 “극도의 희소성 조건으로 인해 천연 소재가 엄청나게 강한 거미줄, 충격에 강한 조개껍데기 등 지구상에서 가장 특별한 소재로 진화할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

역사를 통틀어 과학자들은 새를 모델로 한 다빈치의 비행 기계부터 상어 피부를 모방한 효율적인 수영복에 이르기까지 문제를 해결하고 새로운 기술을 개발하기 위해 지속적으로 자연에서 영감을 얻었습니다.

10년 전 Fernandez 부교수는 자연을 재료과학에 대한 영감의 원천일 뿐만 아니라, 자연의 특별한 특성을 재현하기 위해 자연 분자가 어떻게 조직되어야 하는지에 대한 청사진으로 사용할 것을 제안했습니다. 천연재료. “천연 분자를 원래의 조직과 일치시키면 변형 없이 사용할 수 있어 자연 생태 순환에 완전히 통합된 상태로 유지되는 물질이 생성됩니다.”라고 그는 덧붙였습니다.

Fernandez 부교수의 생물 영감 공학 연구는 다음에 중점을 두고 있습니다. 키틴. 지구에서 두 번째로 풍부한 유기 분자인 키틴은 재생 가능하며 모든 생태 순환의 일부입니다. 또한 곤충의 가볍고 뻣뻣한 날개, 조개껍질의 견고한 외관, 나비의 놀라운 색상과 같은 가장 뛰어난 구조를 생성하기 위해 자연이 사용하는 물질이기도 합니다. 따라서 이를 제어하는 ​​것은 다양성과 지속 가능성으로 인해 엔지니어링에 광범위한 영향을 미칩니다.

에 이전 연구Fernandez 부교수와 그의 팀은 분리된 키틴이 광학 기능을 유지하면서 응집되어 강력한 물질을 생성할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그들의 최신 연구, 딱정벌레로부터 대규모로 색상을 생성하기 위해 키틴을 효율적으로 사용하는 방법을 학습함으로써 이러한 결과를 바탕으로 “딱정벌레 큐티클 무지개빛의 대규모 인공 생산 및 등각 생분해성 코팅에서의 사용”이 구축되었습니다. 그러나 그들은 다채로운 딱정벌레에게서 그것을 배우지 못했습니다.

식물에 사는 딱정벌레는 복잡한 구조를 사용하여 정보 전달부터 혼란스러운 포식자까지 다양한 작업에 생동감 있고 무지개 빛깔의 색상을 생성하는 반면, 숨겨진/어두운 환경에 사는 일부 어두운 색상의 종은 눈에 띄게 사용하지 않고도 희미한 색상 반사를 생성합니다. Fernandez 부교수가 관심을 두는 것은 바로 이 메커니즘인데, 이는 제조 공정에서 쉽게 구현할 수 있는 간단한 구조를 포함하기 때문입니다.

어두운 환경에 사는 딱정벌레의 외골격은 키틴질 주름으로 덮여 있어 진흙과 습한 지역을 쉽게 이동할 수 있습니다. 흥미롭게도, 이러한 주름이 어두운 색을 유발하는 멜라닌이 풍부한 배경과 결합하면 큐티클이 무지개 빛깔이 되어 빛에 노출될 때 다양한 색상을 반사합니다.

연구진은 주름의 주기성이 자연적으로 색상을 생성하는 데 최적화되지 않는다는 사실을 발견했습니다. 그러나 팀은 이를 인위적으로 최적화할 수 있었고 이 단순화된 메커니즘을 통해 나뭇잎에 사는 밝은 색의 딱정벌레의 복잡한 구조에서 생성되는 것과 비슷한 무지개 빛깔의 키틴 색상을 생성할 수 있었습니다.

이 간단한 구성을 통해 팀은 단 1년 만에 개념 증명으로 사용되는 미세한 샘플에서 현재까지 기본 분자로 생성된 구조적 색상의 가장 큰 예인 A4 크기 필름으로 색상 생성을 확대할 수 있었습니다. 이러한 결과는 이론적으로 중요할 뿐만 아니라 기술적으로도 관련이 있습니다.

“키틴은 의료 및 화장품 용도로 FDA의 승인을 받았기 때문에 건강 및 환경 친화적인 대안을 제공합니다. 합성 재료 Fernandez 부교수는 설명했습니다. 키틴을 사용하여 현지에서 소모품을 생산한 과거 결과에 추가하여 팀은 이를 통합할 것으로 기대합니다. 색상 구조적으로 일반 제조에서는 인공 염료를 포함할 필요성이 제거됩니다.

앞으로 Fernandez 부교수는 생물 영감 제조를 생물학과 기술 사이의 상호 이익이 되는 시너지 효과로 보고 생물학적 설계를 통해 정보를 얻은 새로운 재료의 기술적 사용을 가능하게 하고 연구자들이 생물학적 시스템을 더 잘 이해할 수 있는 제어 모델을 만들 수 있도록 돕습니다.

해당 연구는 저널에 게재되었습니다. 고급 엔지니어링 재료.