Исследователи разработали процесс превращения панцирей крабов в биопластик, который может быть использован для изготовления оптических компонентов, известных как дифракционные решетки. Полученные в результате легкие и недорогие решетки поддаются биологическому разложению и могут использоваться в портативных спектрометрах, которые также являются одноразовыми.
«Филиппины известны вкуснейшими морепродуктами, но эта отрасль также является источником большого количества твердых отходов, таких как выброшенные крабовые панцири», — сказал руководитель исследовательской группы Рафаэль А. Герреро из Университета Атенео де Манила на Филиппинах. «Мы хотели найти альтернативное применение отходам из панцирей крабов и решили выяснить, можно ли использовать хитозан из панцирей крабов в качестве биоразлагаемой замены силикона, который мы ранее использовали в нашей лаборатории для изготовления дифракционных решеток».
В области прикладной оптики исследователи показали, что биопластик на основе хитозана может быть использован для изготовления дифракционных решеток, которые работают точно так же, как имеющиеся в продаже.
«Решетки, изготовленные из хитозана, поддаются биологическому разложению и безвредны для окружающей среды, а также очень недороги, поскольку панцири крабов обычно считаются отходами», — сказал Герреро. «Показывая, что полезные оптические компоненты могут быть изготовлены из материалов, которые обычно считаются отходами, мы надеемся помочь повысить экологичность оптического производства и сократить количество отходов из морепродуктов, требующих утилизации».
Превращение крабовых панцирей в оптику
Исследователи решили исследовать хитозан из-за его многообещающих оптических свойств. В очищенной форме в виде раствора хитозан прозрачен и может быть отлит в форму во многом как силикон, обладая при этом более высоким показателем преломления, что важно для определенных применений.
Чтобы извлечь хитозан из панцирей крабов, исследователи промыли панцири, собранные на местном перерабатывающем заводе, и высушили их в духовке. Затем скорлупки измельчали в порошок и превращали в раствор хитозана с помощью химического процесса.
Исследователи изготовили решетки из раствора хитозана с помощью мягкой литографии — процесса репликации, при котором используется силиконовая форма для копирования наноразмерных характеристик поверхности объекта. Это включало в себя приготовление силиконового слепка коммерчески доступной дифракционной решетки и последующее заливание в нее раствора хитозана. Когда раствор затвердел, из него получилась точная копия коммерческой решетки.
«В отличие от субтрактивных методов, таких как лазерное травление, наша технология мягкой литографии не приводит к образованию отходов хитозана», — сказал Герреро. «Мы также можем изменить физические свойства хитозана, чтобы он лучше соответствовал конкретным потребностям, изменив используемые химические этапы».
Дифракционная решетка имеет поверхность с тысячами микроскопических бороздок, которые могут расщеплять белый свет на составляющие его цвета. Когда для освещения решетки из хитозана использовался белый свет, исследователи могли четко видеть ожидаемый радужный узор. Они также использовали атомно-силовую микроскопию, чтобы подтвердить, что расстояние между канавками хитозановой решетки соответствует расстоянию между канавками оригинальной коммерческой решетки. Наконец, испытания дифракционных решеток из хитозана лазерным лучом позволили получить правильные дифракционные картины.
Спектрометры одноразового использования
«Дифракционные решетки являются основными компонентами спектрометров, приборов, используемых в различных промышленных и научных приложениях для анализа того, как свет взаимодействует с образцом, чтобы определить его химический состав», — сказал Герреро. «Обычные решетки обычно изготавливаются из тяжелых материалов, таких как стекло, но решетки из хитозана можно было бы использовать для изготовления более легких и менее дорогих спектрометров».
Исследователи еще не проверяли долговечность решеток из хитозана, но говорят, что они подошли бы для одноразовых спектрометров, используемых для полевых работ. Такой прибор можно было бы использовать, например, для анализа загрязнения воды в ручье или пищевых продуктов или лекарственных препаратов на заводе. Поскольку материал поддается биологическому разложению, устройства, изготовленные из хитозана, будут оказывать минимальное воздействие на окружающую среду. Они также работают над повышением энергоэффективности хитозановых решеток, чтобы сделать их практичными для реального применения.
«Для сообществ, занимающихся крабовой промышленностью, особенно на Филиппинах, наши результаты повышают ценность их морепродуктов, поскольку даже отработанные компоненты могут найти применение в производстве оптики», — сказал Герреро. «При надлежащем сотрудничестве между бизнесом и местными органами власти хитозан, извлекаемый из панцирей крабов, может привести к увеличению доходов и улучшению качества жизни рыбаков, ловящих крабов, и их семей».