Исследователи создали биоразлагаемый оптический компонент

Jun 11, 2023

Дифракционные решетки, изготовленные из отходов морепродуктов, могут стать основой для одноразовых спектрометров, не наносящих вреда окружающей среде.

ОПТИЧЕСКИЙ

Изображение: Исследователи разработали процесс превращения панцирей крабов в биопластик, который можно использовать для изготовления оптических компонентов, известных как дифракционные решетки (в пинцете).посмотреть больше

Фото: Рафаэль А. Герреро, Университет Атенео де Манила.

ВАШИНГТОН – Исследователи разработали процесс превращения панцирей крабов в биопластик, который можно использовать для изготовления оптических компонентов, известных как дифракционные решетки. Полученные в результате легкие и недорогие решетки являются биоразлагаемыми и могут стать основой для портативных одноразовых спектрометров.

«Филиппины известны вкусными морепродуктами, но эта отрасль также является источником большого количества твердых отходов, таких как выброшенные панцири крабов», - сказал руководитель исследовательской группы Рафаэль А. Герреро из Университета Атенео де Манила на Филиппинах. «Мы хотели найти альтернативное применение отходам крабового панциря и решили выяснить, можно ли использовать хитозан из крабовых панцирей в качестве биоразлагаемой замены силикона, который мы ранее использовали в нашей лаборатории для изготовления дифракционных решеток».

В журнале Applied Optics издательства Optica Publishing Group исследователи показали, что биопластик на основе хитозана можно использовать для изготовления дифракционных решеток, которые работают так же, как коммерчески доступные.

«Решетки из хитозана биоразлагаемы и экологически безопасны, а также очень недороги, поскольку панцири крабов обычно считаются отходами», — сказал Герреро. «Показав, что полезные оптические компоненты могут быть изготовлены из материалов, которые обычно считаются отходами, мы надеемся помочь повысить устойчивость оптического производства и сократить количество отходов морепродуктов, которые требуют утилизации».

Превращаем панцири крабов в оптику

Исследователи решили изучить хитозан из-за его многообещающих оптических свойств. В очищенной форме в виде раствора хитозан прозрачен и может формоваться так же, как силикон, но имеет более высокий показатель 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 скорлупу измельчали ​​в порошок и химическим способом превращали в раствор хитозана.

Исследователи изготовили решетки из раствора хитозана с помощью мягкой литографии — процесса репликации, в котором используется силиконовая форма для копирования наноразмерных особенностей поверхности объекта. Для этого было приготовлено силиконовое литье имеющейся в продаже дифракционной решетки и затем налито в него раствор хитозана. Когда раствор затвердел, образовалась копия коммерческой решетки.

«В отличие от субтрактивных методов, таких как лазерное травление, наша техника мягкой литографии не создает 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 канавок, которые могут расщеплять белый свет на составляющие его цвета. Когда белый свет использовался для освещения хитозановой решетки, исследователи смогли ясно увидеть ожидаемый радужный узор. Они также использовали атомно-силовую микроскопию, чтобы подтвердить, что расстояние между канавками хитозановой решетки соответствует таковому у оригинальной коммерческой решетки. Наконец, испытания хитозановых дифракционных решеток лазерным лучом дали правильные дифракционные картины.

Одноразовые спектрометры

«Дифракционные решетки являются основными компонентами спектрометров, инструментов, используемых в различных промышленных и научных приложениях для анализа способа взаимодействия света с образцом и определения его химического состава», — сказал Герреро. «Обычные решетки обычно изготавливаются из тяжелых материалов, таких как стекло, но решетки из хитозана можно использовать для изготовления более легких и менее дорогих спектрометров».