Biológiai felületek módosítása atomi réteg leválasztással
A 21. században megnőtt az érdeklődés a biomimetika, biomimikri iránt. Biológiai felületek szerkezete a nanotechnológia számára fontos kiindulópont lehet, így lehetőségünk van már amúgy is jól működő mechanizmusok további finomítására. Ezen belül a szerkezeti színek az autóipar, festékipar, textilipar, stb. számára lényegesek.
Munkám során madártollak felületét vizsgáltam azzal az indokkal, hogy bebizonyítsam, hogy egyes egyedeknél a felületi szerkezet is befolyásolja a szerkezeti szín kialakulását, mivel az irodalom ez idáig csak a belső szerkezetet nevezte meg fő kiváltó okként.
A kutatás során számos madártollat kellett összegyűjteni a vizsgálatokhoz. Rendelkezésünkre állt: páva, szajkó, kék cinege, ara, villásfarkú szalakóta, tőkésréce, strucc, varjú, veréb, galamb, fácán, tyúk tollminta, de ezen kívül számos egyéb faj tollai is megtalálhatóak a kollekcióban. Főként kék és zöld színű tollakat kerestünk, mivel ezeket a színeket okozzák a természetben felületi struktúrák, és nem pigmentek.
A mintákat először pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltam. Különböző nagyításokban felvételeket készítettem a felületről, és szabályos szerkezeteket kerestem, amik szerkezeti színek kialakulására utalhatnak. A műszer segítségével sikerült 3 tollat kiválasztani: ara, páva és szajkó, melyeken további elemzéseket végeztem. Ezek közül a szajkó és az aratoll tartalmazott kék színt, és ezeknél volt esély felületi szerkezeti színek kimutatására. A pávatoll azonban barna színű volt, színét csak pigmentáció okozta, így referenciaként alkalmaztuk.
A tollak felületi fényvisszaverő képességéről UV-VIS spektrofotométerrel készítettem reflexiós spektrumokat. Ezt követően atomi réteg leválasztással (ALD) módosítottam a tollak felületét amiatt, hogy az esetleges felületi szerkezeteket a filmréteg elfedje, és így megváltozzanak a toll optikai tulajdonságait. Először 150 nm Al2O3 filmmel vontuk be a tollakat, majd 50 nm-rel. Fontos megjegyezni, hogy a tollak hőérzékenysége miatt a reakció során alacsony hőmérsékletet (100 °C) alkalmaztunk. A tollak bomlását termogravimetriával (TG-DTA) is ellenőriztük, amely során megbizonyosodtunk róla, hogy 100°C-on a tollak még nem kezdenek el bomlani, így nyugodtan alkalmazhatjuk reakcióhőmérsékletként. A kérdésünkre a választ indirekt módon kerestük, ezért újra spektrofotometriás vizsgálatoknak vetettem alá az Al2O3 ALD filmmel bevont tollakat. A spektrumok felvétele után elektronmikroszkóppal és elektronsugaras mikroanalízissel (SEM-EDX) is végeztem méréseket a tollakon, hogy bebizonyítsam az Al2O3 filmréteg jelenlétét a felületen, valamint tanulmányozzam a módosított felületek morfológiáját.
Az elektronmikroszkópos képeken a szajkó és az aratoll esetében látható viszonylag szabályosabb szerkezet, a pávatollnál nem. Ez alátámasztja, hogy a barna szín kialakításáért csak a pigmentek felelősek. Az ALD reakciót követően az UV-Vis spektrumok csak a szajkótollnál változtak meg jelentősen, a másik két tollnál nem. Így csak a szajkó tollnál volt sejthető szerkezeti színt okozó felületi nanostruktúra jelenléte. A szajkótollról készített nagyobb felbontású SEM felvételeken szabályos, faerezethez hasonló szerkezet látható. A kiemelkedő „erek” becsléseink szerint kb. 150 nm szélesek voltak. A vonalak között található „völgyek” mélységét kb. 180 nm-nek, míg szélességét kb. 250 nm-nek ítéltük. Ezt követően transzmissziós elektronmikroszkóppal is készítettünk felvételeket a toll keresztmetszetéről,hogy megbizonyosodjunk a toll belső struktúrájáról, valamint, hogy átfogó képet kapjunk arról, hogy miként tapadt meg a filmréteg a toll felületén. Összefoglalva, eredményeim arra mutatnak, hogy a szajkótoll kék színét a felületi szerkezet jelentős mértékben befolyásolja, és így ez az első példa arra, hogy madártollakon a szerkezeti színt nem csupán a felszín alatti rendezett struktúrák, hanem felületi nanoszerkezetek alakítják ki.
szerző
-
Gáber Fanni
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Szilágyi Imre Miklós
egyetemi docens, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék