Besouros que vivem no escuro nos ensinam como fazer cores sustentáveis
Reprodução artificial da cor estrutural dos besouros em polímeros quitinosos. Crédito:SUTD Inspirados nas cutículas dos besouros, os cientistas desenvolveram estruturas ópticas que podem produzir cores vibrantes, iridescentes e completamente biodegradáveis usando quitina – o segundo material orgânico mais abundante do mundo.
“As condições de extrema escassez permitiram que os materiais naturais evoluíssem para alguns dos materiais mais extraordinários da Terra, como a seda de aranha incrivelmente forte e as conchas resistentes ao impacto”, disse Javier Fernandez, professor associado da Universidade de Tecnologia e Design de Singapura (SUTD).
Ao longo da história, os cientistas recorreram consistentemente à natureza em busca de inspiração para resolver problemas e desenvolver novas tecnologias, desde as máquinas voadoras de Da Vinci modeladas a partir de pássaros até trajes de banho eficientes que imitam a pele de tubarão.
Há uma década, o Assoc Prof Fernandez propôs usar a natureza não apenas como uma fonte de inspiração para a ciência dos materiais, mas como um modelo de como as moléculas naturais devem ser organizadas para recriar as propriedades extraordinárias dos materiais naturais. “Combinar moléculas naturais com sua organização nativa permite seu uso sem modificação, resultando em materiais que permanecem totalmente integrados aos ciclos ecológicos naturais”, acrescentou.
A pesquisa do Assoc Prof Fernandez em engenharia bioinspirada concentra-se na quitina. Sendo a segunda molécula orgânica mais abundante da Terra, a quitina é renovável e faz parte de todos os ciclos ecológicos. É também o material que a natureza utiliza para produzir algumas de suas estruturas mais excepcionais, como as asas leves e rígidas de um inseto, o exterior resistente de uma concha e as cores notáveis de uma borboleta. Portanto, controlá-lo tem amplas implicações na engenharia devido à sua versatilidade e sustentabilidade.
Em um estudo anterior, Assoc Prof Fernandez e sua equipe descobriram que a quitina isolada pode agregar e criar materiais fortes, mantendo sua função óptica. Seu último estudo, "Produção artificial em larga escala de iridescência de cutícula de coleópteros e seu uso em revestimentos biodegradáveis conformados", baseou-se nesses resultados, aprendendo com besouros como usar eficientemente a quitina para produzir cores em larga escala. Eles, porém, não aprenderam isso com os besouros coloridos. Reprodução artificial da cor estrutural dos besouros em polímeros quitinosos sob luz artificial e natural. Crédito:SUTD Enquanto os besouros que vivem nas plantas usam estruturas complexas para produzir cores vibrantes e iridescentes para muitas tarefas, desde a comunicação de informações até confundir predadores, algumas espécies de cor escura que vivem em ambientes ocultos/escuros produzem reflexos de cores tênues sem uso aparente para eles. É este mecanismo que interessa à Assoc Prof Fernandez, pois envolve estruturas simples que podem ser facilmente implementadas em processos de fabricação.
Besouros que vivem em ambientes escuros têm seu exoesqueleto coberto por dobras de quitina, que os ajudam a se mover facilmente pela lama e áreas úmidas. Curiosamente, quando essas dobras se combinam com o fundo rico em melanina responsável pela sua cor escura, as suas cutículas tornam-se iridescentes, refletindo cores diferentes quando expostas à luz.
Os pesquisadores descobriram que a periodicidade das dobras não é naturalmente otimizada para produzir cores. No entanto, a equipe conseguiu otimizá-lo artificialmente e conseguiu produzir, com esse mecanismo simplificado, cores quitinosas iridescentes comparáveis às geradas pelas estruturas complexas dos besouros de cores vivas que vivem nas folhas.
Esta construção simples permitiu à equipa, em apenas um ano, aumentar a produção de cores a partir de amostras microscópicas utilizadas como prova de conceito, para filmes de tamanho A4, o maior exemplo de cor estrutural produzido com a sua molécula nativa até à data. Esses resultados não são apenas significativos em teoria, mas também tecnologicamente relevantes.
“Como a quitina é aprovada pela FDA para uso médico e cosmético, ela fornece uma alternativa ecologicamente correta e à saúde aos materiais sintéticos usados nessas aplicações”, explicou Assoc Prof Fernandez. Somando-se aos resultados anteriores sobre o uso de quitina para produzir consumíveis localmente, a equipe espera incorporar a cor estruturalmente na fabricação em geral, eliminando a necessidade de incluir corantes artificiais.
Seguindo em frente, o Assoc Prof Fernandez vê a fabricação bioinspirada como uma sinergia mutuamente benéfica entre biologia e tecnologia, permitindo o uso tecnológico de novos materiais informados por projetos biológicos e ajudando os pesquisadores a criar modelos controlados para compreender melhor os sistemas biológicos.
A pesquisa foi publicada na revista Advanced Engineering Materials .
