Az eredmények új távlatokat nyithatnak többek között a vízben oldott szennyező anyagok – például festékek, gyógyszermaradványok, mikroműanyagok – káros hatásainak csökkentését célzó vízkezelés terén, ez derül ki a Royal Society Open Science című rangos szakfolyóiratban megjelent tanulmányból.

Mint a közlemény kiemeli, a napfényt a jövő elsődleges megújuló energiaforrásaként tartják számon, amelynek egyik közvetlen felhasználási formája a fotokatalízis. Ennek során a napenergiát közvetlenül hasznosítják kémiai folyamatok előidézésére, ami sokkal hatékonyabb, mintha előbb elektromos energiává alakítanák – például napelemek segítségével –, majd az így nyert energiát használnák fel a kémiai folyamatokban.

Egyes félvezető anyagok, mint például a cink-oxid és a titán-dioxid képesek ilyen kémiai változásokat előidézni. Elnyelik a rájuk eső fényt, és ezzel olyan gerjesztések keletkeznek bennük, amelyek a különféle, vízben oldott nemkívánatos anyagokban – például festékekben, gyógyszermaradványokban, mikroműanyagokban – kémiai változásokat idéznek elő, ezzel csökkentve azok káros hatásait.

Először találtak boltokban vett tejben, sertéshúsban is mikroműanyagot

A vizsgált hús- és tejtermékek háromnegyedében ott volt az idegen anyag.

Tulajdonságaik révén a cink-oxid és a titán-dioxid is leginkább az ultraibolya fényt tudják hasznosítani fotokatalízis céljára, ami jelentősen bonyolítja és költségessé teszi felhasználásukat a vízkezelésben. Igen előnyös lenne, ha fokozni lehetne fotokatalitikus aktivitásukat a látható fény tartományában, hiszen akkor számos átlátszó műanyag és az üveg is használhatóvá válna, így olcsóbb lenne alkalmazásuk – áll a közleményben.

Ennek egyik lehetséges módja a fotonikus kristályokként ismert, a fény terjedését befolyásolni képes, különleges nanoszerkezetek használata. A fotonikus kristályok két fényáteresztő, de optikai tulajdonságaikban jelentősen 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”. Például számos lepkefaj hímjeinek szárnyain előfordulnak fotonikus kristály jellegű – kitinből és levegőből felépülő – nanoarchitektúrák, amelyek a lepkék szexuális kommunikációjában játszanak meghatározó szerepet.

Az Ikarusz boglárka (Polyommatus icarus) hím példányának fotója

ELKH EK

Az ELKH EK kutatói közönséges vagy Ikarusz boglárka lepkéket (Polyommatus icarus) tenyésztenek, amelyek lehetővé teszik fotonikus nanoarchitektúrák környezetkímélő és olcsó előállítását. A laboratóriumi körülmények között nevelt lepkék esetében egyetlen szaporodó párnak hat-hétszász utódja is lehet.

A nanoszerkezet egyik összetevője a levegő, ezért a lepkék szárnyain előforduló fotonikus nanoarchitektúrák fajlagos felszíne igen nagy. Mivel a folyadék és a szilárd anyag kölcsönhatása így sokkal nagyobb felületen érvényesül, mint egy sík anyagon – például üvegen –, ez további előnyökkel jár. Modern anyagtudományi eljárásokkal, például atomi rétegleválasztással lehetséges a kitinalapú fotonikus nanoarchitektúra konformális beborítása néhány nanométer vastagságú cink-oxid réteggel, mely réteg vastagságának változtatásával a visszavert fény színe is hangolható.

A kísérletekhez a kutatók különböző fajoktól származó, néhány nanométer vastagságú cink-oxid réteggel borított lepkeszárnyakat alkalmaztak. Így kimutatták, hogy a fotokatalitikus hatás annál jobban fokozódik, minél nagyobb az átfedés a látható fény tartományában a cink-oxiddal borított lepkeszárny fényvisszaverése és a tesztanyagként alkalmazott, vízben oldott rodamin B festék fényelnyelése között.

Ezzel igazolták, hogy a megfelelően nanostrukturált cink-oxid a látható tartományban is rendelkezik fotokatalitikus hatással, továbbá hogy ennek nagysága a fotonikus nanoarchitektúra jellegű biológiai szubsztrát optikai jellemzőinek változtatásával hangolható.

Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos felfedezésekről is hírt adó Facebook-oldalát.