Némely lepkefajok szárnyát cink-oxiddal bevonva környezetkímélő módon és olcsón állíthatók elő fotonikus nanoszerkezetek, melyek alternatívát kínálnak a napenergia közvetlen hasznosítását kémiai folyamatok előidézésére – állapították meg az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Energiatudományi Kutatóközpont (ELKH EK) Műszaki Fizikai és Anyagtudományi, továbbá Energia- és Környezetbiztonsági Intézetének kutatói.
Az eredmények új távlatokat nyithatnak például a vízben oldott szennyező anyagok – példaként festékek, gyógyszermaradványok, mikroműanyagok – káros hatásainak csökkentését célzó vízkezelés kapcsán. A kutatást bemutató tanulmány a Royal Society Open Science című rangos szakfolyóiratban jelent meg – közölte a sajtó képviselőivel az ELKH.
Mint a közlemény kiemeli, a napfényt a jövő elsődleges megújuló energiaforrásaként tartják számon, amelyiknek egyik közvetlen felhasználási formája a fotokatalízis. Ennek esetén a napenergiát közvetlenül hasznosítják kémiai folyamatok előidézésére, ami sokkal hatékonyabb, mintha előbb elektromos energiává alakítanák – példának okáért napelemek segédkezésével –, ezután az ilyen formában nyert energiát használnák fel a kémiai folyamatokban.
Egyes félvezető anyagok, akárcsak a cink-oxid és a titán-dioxid képesek ilyen kémiai változásokat előidézni. Elnyelik a rájuk eső fényt, és ezzel olyan gerjesztések keletkeznek bennük, amelyek az eltérő, vízben oldott nemkívánatos anyagokban – példaként festékekben, gyógyszermaradványokban, mikroműanyagokban – kémiai változásokat idéznek elő, ezzel csökkentve azok káros hatásait.
Tulajdonságaik révén a cink-oxid és a titán-dioxid is leginkább az ultraibolya fényt tudják hasznosítani fotokatalízis céljára, ami hangsúlyosan bonyolítja és költségessé teszi felhasználásukat a vízkezelésben. Igen előnyös lenne, ha fokozni lehetne fotokatalitikus aktivitásukat a megfigyelhető fény tartományában, mivelhogy akkor több átlátszó műanyag és az üveg is használhatóvá válna, mindent összevetve olcsóbb lenne alkalmazásuk – áll a közleményben.
Ennek egyik lehetséges módja a fotonikus kristályokként ismert, a fény terjedését befolyásolni képes, kivételes nanoszerkezetek használata. A fotonikus kristályok két fényáteresztő, de optikai tulajdonságaikban tekintélyesen eltérő anyagból felépülő nanokompozitok, amelyekben az egyes alkotóanyagok elhelyezkedése szabályosan, a fény hullámhosszával összemérhető skálán váltakozik a térben. Emiatt adott hullámhosszúságú fény nem képes a fotonikus nanoarchitektúrákban terjedni, és visszaverődik azok felszínéről.
Ilyen nanokompozitok mesterséges előállítása ugyan lehetséges, ám drága és időigényes és káros anyagok alkalmazására is szükség lehet.
Ezeket a nanoszerkezeteket ugyanakkor sok millió évvel ezelőtt már a biológiai evolúció is „felfedezte”. Példának okáért több lepkefaj hímjeinek szárnyain előfordulnak fotonikus kristály jellegű – kitinből és levegőből felépülő – nanoarchitektúrák, amelyek a lepkék szexuális kommunikációjában játszanak meghatározó szerepet – figyelmeztet a közlemény.
Az ELKH EK kutatói közönséges vagy Ikarusz boglárka lepkéket (Polyommatus icarus) tenyésztenek, melyek alternatívát kínálnak fotonikus nanoarchitektúrák környezetkímélő és olcsó előállítását. A laboratóriumi helyzetek közt nevelt lepkék tekintetében egyetlen szaporodó párnak hat-hétszász utódja is lehet.
A nanoszerkezet egyik összetevője a levegő, így a lepkék szárnyain előforduló fotonikus nanoarchitektúrák fajlagos felszíne igen nagy. Mivel a folyadék és a szilárd anyag kölcsönhatása ezáltal sokkal nagyobb felületen érvényesül, mint egy sík anyagon – példaként üvegen –, ez újabb előnyökkel jár.
Korszerű anyagtudományi eljárásokkal, példának okáért atomi rétegleválasztással lehetséges a kitinalapú fotonikus nanoarchitektúra konformális beborítása pár nanométer vastagságú cink-oxid réteggel, mely réteg vastagságának változtatásával a visszavert fény színe is hangolható.
A kísérletekhez a szakemberek különféle fajoktól származó, pár nanométer vastagságú cink-oxid réteggel borított lepkeszárnyakat alkalmaztak.
Kimutatták, hogy a fotokatalitikus tapasztalat annál jobban fokozódik, minél nagyobb az átfedés a érzékelhető fény tartományában a cink-oxiddal borított lepkeszárny fényvisszaverése és a tesztanyagként alkalmazott, vízben oldott rodamin B festék fényelnyelése közt.
Ezzel igazolták, hogy a megfelelően nanostrukturált cink-oxid a megfigyelhető tartományban is büszkélkedhet fotokatalitikus hatással, ugyanakkor hogy ennek nagysága a fotonikus nanoarchitektúra jellegű biológiai szubsztrát optikai jellemzőinek változtatásával hangolható – áll az ELKH közleményében.
mti