研究人员用螃蟹壳制作可生物降解的光学元件
发布时间：2023-03-23 08:00:00 阅读数： 18
研究人员将干燥的蟹壳磨成粉末（左），然后用化学方法制造适合制作衍射光栅的溶液（右）。来自: Raphael A. Guerrero, Ateneo de Manila大学
研究人员已经开发出一种将螃蟹壳变成生物塑料的工艺，可以用来制造称为衍射光栅的光学元件。由此产生的轻质、廉价的光栅是可生物降解的，并且可以使便携式光谱仪也是一次性的。
"研究小组组长、菲律宾马尼拉雅典耀大学的Raphael A. Guerrero说："菲律宾以美味的海鲜著称，但这一行业也是大量固体废物的来源，如被丢弃的蟹壳。"我们想为蟹壳废料找到另一种用途，并决定找出蟹壳中的壳聚糖是否可以作为硅胶的可生物降解替代品，我们以前在实验室里曾用它来制作衍射光栅"。
在《应用光学》杂志上，研究人员表明，以壳聚糖为基础的生物塑料可用于制造衍射光栅，其工作原理与市售的光栅一样。
"Guerrero说："由壳聚糖制成的光栅是可生物降解和环保的，同时也是非常便宜的，因为螃蟹壳通常被认为是废物。"通过展示有用的光学元件可以由通常被认为是废物的材料制成，我们希望能帮助提高光学制造的可持续性，并减少需要处理的海产品废物的数量。
将螃蟹壳变成光学元件
研究人员决定探索壳聚糖，因为它具有良好的光学特性。在纯化后的溶液中，壳聚糖是透明的，可以像硅胶一样塑形，同时具有较高的折射率，这对某些应用很重要。
为了从蟹壳中提取壳聚糖，研究人员清洗了从当地加工厂收集的蟹壳，并将其在烤箱中烘干。然后，这些贝壳被粉碎成粉末，并通过一个化学过程变成了壳聚糖溶液。
研究人员使用软光刻技术从壳聚糖溶液中制作光栅，这是一种复制过程，使用硅胶模具来复制物体的纳米级表面特征。这涉及到准备一个市售衍射光栅的硅胶铸模，然后将壳聚糖溶液倒入其中。当溶液变硬时，它创造了一个商业光栅的复制品。
"与激光蚀刻等减法不同，我们的软光刻技术不会产生壳聚糖废料，"格雷罗说。"我们还可以通过改变所使用的化学步骤来修改壳聚糖的物理特性，以更好地适应特定的需要。"
衍射光栅的表面有数以千计的微观凹槽，可以将白光分割成其组成颜色。当白光被用来照亮壳聚糖光栅时，研究人员可以清楚地看到预期的彩虹图案。他们还使用原子力显微镜确认，壳聚糖光栅的沟槽之间的间距与原始商业光栅的间距一致。最后，用激光束对壳聚糖衍射光栅进行测试，产生了正确的衍射图案。
一次性使用的光谱仪
Guerrero说："衍射光栅是光谱仪的主要组成部分，光谱仪是在各种工业和科学应用中用来分析光与样品相互作用的方式以确定其化学成分的仪器，"。"传统的光栅通常由玻璃等重型材料制成，但是壳聚糖制成的光栅可以用来制造更轻、更便宜的光谱仪"。
研究人员还没有测试壳聚糖光栅的耐用性，但他们说，它们将适合用于野外工作的一次性光谱仪。例如，这样的仪器可以用来分析溪流中的水污染或工厂车间的食品或药品产品。由于这种材料是可生物降解的，用壳聚糖制成的设备对环境的影响最小。他们还在努力提高壳聚糖光栅的功率效率，使其在现实世界中得到实用。
"Guerrero说："对于从事螃蟹产业的社区，特别是在菲律宾，我们的发现为他们的海鲜产品增加了价值，因为即使是废弃的成分也可以在光学制造中找到用途。"通过企业和当地政府之间的适当合作，从螃蟹壳中提取的壳聚糖可以为螃蟹渔民和他们的家庭带来收入的增加和更好的生活质量。"
参考资料
Efren G. Gumayan et al, Chitosan from crab shell waste for soft lithography of bioplastic diffraction gratings, Applied Optics (2023). DOI: 10.1364/AO.483336
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