Forscher stellen biologisch abbaubare optische Komponenten aus Krabbenschalen her

Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um Krabbenschalen in einen Biokunststoff umzuwandeln, der zur Herstellung optischer Komponenten verwendet werden kann, die als Beugungsgitter bekannt sind. Die resultierenden leichten, kostengünstigen Gitter sind biologisch abbaubar und könnten tragbare Spektrometer ermöglichen, die auch wegwerfbar sind.

„Die Philippinen sind bekannt für köstliche Meeresfrüchte, aber diese Industrie ist auch eine Quelle großer Mengen fester Abfälle wie weggeworfener Krabbenschalen“, sagte der Leiter des Forschungsteams, Raphael A. Guerrero, von der Ateneo de Manila University auf den Philippinen. „Wir wollten eine alternative Verwendung für Krabbenschalenabfälle finden und beschlossen herauszufinden, ob Chitosan aus Krabbenschalen als biologisch abbaubarer Ersatz für Silikon verwendet werden könnte, das wir zuvor in unserem Labor zur Herstellung von Beugungsgittern verwendet hatten.“

In Angewandte Optikzeigten die Forscher, dass sich aus dem Biokunststoff auf Chitosanbasis Beugungsgitter herstellen lassen, die genauso funktionieren wie handelsübliche.

„Gitter aus Chitosan sind biologisch abbaubar und umweltfreundlich und zudem sehr kostengünstig, da Krabbenschalen allgemein als Abfall gelten“, so Guerrero. „Indem wir zeigen, dass nützliche optische Komponenten aus Materialien hergestellt werden können, die normalerweise als Abfall betrachtet werden, hoffen wir, zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in der Optikherstellung beizutragen und die Menge an Meerestierabfällen zu reduzieren, die entsorgt werden müssen.“

Krabbenschalen in Optik verwandeln

Die Forscher entschieden sich, Chitosan aufgrund seiner vielversprechenden optischen Eigenschaften zu untersuchen. In gereinigter Form als Lösung ist Chitosan transparent und lässt sich ähnlich wie Silikon formen, hat aber einen höheren Brechungsindex, was für bestimmte Anwendungen wichtig ist.

Um Chitosan aus Krabbenschalen zu extrahieren, wuschen die Forscher Schalen, die in einer örtlichen Verarbeitungsanlage gesammelt wurden, und trockneten sie in einem Ofen. Die Schalen wurden dann zu einem Pulver zerkleinert und mithilfe eines chemischen Prozesses in eine Chitosanlösung umgewandelt.

Die Forscher stellten Gitter aus der Chitosanlösung mithilfe von Softlithographie her, einem Replikationsprozess, bei dem eine Silikonform verwendet wird, um die Oberflächenmerkmale eines Objekts im Nanomaßstab zu kopieren. Dazu wurde ein Silikonabguss eines handelsüblichen Beugungsgitters hergestellt und anschließend die Chitosanlösung hineingegossen. Als die Lösung aushärtete, erzeugte sie eine Nachbildung des kommerziellen Gitters.

„Im Gegensatz zu subtraktiven Methoden wie dem Laserätzen erzeugt unsere Soft-Lithographie-Technik keinen Chitosan-Abfall“, sagte Guerrero. „Wir können auch die physikalischen Eigenschaften von Chitosan modifizieren, um es einem bestimmten Bedarf besser anzupassen, indem wir die verwendeten chemischen Schritte ändern.“

Ein Beugungsgitter hat eine Oberfläche mit Tausenden von mikroskopisch kleinen Rillen, die weißes Licht in seine Farbkomponenten zerlegen können. Als weißes Licht zur Beleuchtung eines Chitosan-Gitters verwendet wurde, konnten die Forscher das erwartete Regenbogenmuster deutlich erkennen. Sie verwendeten auch Rasterkraftmikroskopie, um zu bestätigen, dass der Abstand zwischen den Rillen des Chitosan-Gitters denen des ursprünglichen kommerziellen Gitters entsprach. Schließlich ergaben Tests der Chitosan-Beugungsgitter mit einem Laserstrahl die korrekten Beugungsmuster.

Einweg-Spektrometer

„Beugungsgitter sind die Hauptkomponenten von Spektrometern, Instrumenten, die in einer Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet werden, um zu analysieren, wie Licht mit einer Probe interagiert, um ihre chemische Zusammensetzung zu bestimmen“, sagte Guerrero. „Herkömmliche Gitter bestehen normalerweise aus schweren Materialien wie Glas, aber Gitter aus Chitosan könnten verwendet werden, um leichtere und kostengünstigere Spektrometer herzustellen.“

Die Haltbarkeit der Chitosan-Gitter haben die Forscher noch nicht getestet, sagen aber, dass sie für Einweg-Spektrometer geeignet wären, die für die Feldarbeit verwendet werden. Ein solches Instrument könnte beispielsweise zur Analyse der Wasserverschmutzung in einem Bach oder eines Lebensmittel- oder Arzneimittelprodukts in der Fabrikhalle verwendet werden. Da das Material biologisch abbaubar ist, hätten Geräte aus Chitosan nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt. Sie arbeiten auch daran, die Energieeffizienz der Chitosan-Gitter zu verbessern, um sie für reale Anwendungen praktikabel zu machen.

„Für Gemeinden, die in der Krabbenindustrie tätig sind, insbesondere auf den Philippinen, steigern unsere Erkenntnisse den Wert ihres Meeresfrüchteprodukts, da sogar die Abfallkomponenten in der optischen Fertigung Verwendung finden könnten“, sagte Guerrero. „Bei richtiger Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und der lokalen Regierung könnte aus Krabbenschalen gewonnenes Chitosan zu einem höheren Einkommen und einer besseren Lebensqualität für Krabbenfischer und ihre Familien führen.“