Investigadores crean componente óptico biodegradable

Jun 11, 2023

Las rejillas de difracción hechas de desechos de mariscos podrían habilitar espectrómetros desechables que no dañan el medio ambiente

ÓPTICO

imagen: Los investigadores desarrollaron un proceso para convertir caparazones de cangrejo en un bioplástico que se puede usar para fabricar componentes ópticos conocidos como rejillas de difracción (en las pinzas).ver más

Credit: Raphael A. Guerrero, Ateneo de Manila University

WASHINGTON – Los investigadores han desarrollado un proceso para convertir las conchas de cangrejo en un bioplástico que se puede usar para fabricar componentes ópticos conocidos como rejillas de difracción. Las rejillas económicas y livianas resultantes son biodegradables y podrían habilitar espectrómetros portátiles que también son desechables.

"Filipinas es conocida por sus deliciosos mariscos, pero esta industria también es una fuente de grandes cantidades de desechos sólidos, como caparazones de cangrejo desechados", dijo el líder del equipo de investigación, Raphael A. Guerrero, de la Universidad Ateneo de Manila en Filipinas. "Queríamos encontrar un uso alternativo para los desechos de caparazones de cangrejo y decidimos averiguar si el quitosano de los caparazones de cangrejo podría usarse como un reemplazo biodegradable de la silicona, que habíamos usado anteriormente en nuestro laboratorio para hacer rejillas de difracción".

En la revista Applied Optics de Optica Publishing Group, los investigadores demostraron que el bioplástico a base de quitosano se puede usar para hacer rejillas de difracción que funcionan igual que las disponibles comercialmente.

“Las rejillas hechas de quitosano son biodegradables y amigables con el medio ambiente, además de ser muy económicas, ya que los caparazones de los cangrejos generalmente se consideran desechos”, dijo Guerrero. "Al demostrar que se pueden fabricar componentes ópticos útiles a partir de materiales que normalmente se consideran desechos, esperamos ayudar a mejorar la sostenibilidad en la fabricación óptica y reducir la cantidad de desechos de pescados y mariscos que se deben desechar".

Convertir caparazones de cangrejo en óptica

Los investigadores decidieron explorar el quitosano debido a sus prometedoras propiedades ópticas. En forma purificada como solución, el quitosano es transparente y se puede moldear como si fuera silicona, pero tiene un índice de refracción más alto, lo cual es importante para ciertas aplicaciones.

Para extraer el quitosano de las conchas de los cangrejos, los investigadores lavaron las conchas que se recolectaron en una planta de procesamiento local y las secaron en un horno. Luego, las conchas se trituraron hasta convertirlas en polvo y se convirtieron en una solución de quitosano mediante un proceso químico.

Los investigadores hicieron rejillas de la solución de quitosano mediante litografía blanda, un proceso de replicación que utiliza un molde de silicona para copiar las características de la superficie a nanoescala de un objeto. Esto implicó preparar un molde de silicona de una rejilla de difracción disponible comercialmente y luego verter la solución de quitosano en él. Cuando la solución se endureció, creó una réplica de la rejilla comercial.

"A diferencia de los métodos sustractivos como el grabado con láser, nuestra técnica de litografía blanda no genera desechos de quitosano", dijo Guerrero. "También podemos modificar las propiedades físicas del quitosano para que se adapte mejor a una necesidad particular cambiando los pasos químicos utilizados".

Una rejilla de difracción tiene una superficie con miles de ranuras microscópicas que pueden dividir la luz blanca en los colores que la componen. Cuando se usó luz blanca para iluminar una rejilla de quitosano, los investigadores pudieron ver claramente el patrón de arco iris esperado. También usaron microscopía de fuerza atómica para confirmar que el espacio entre los surcos de la rejilla de quitosano correspondía a los de la rejilla comercial original. Finalmente, las pruebas de las rejillas de difracción de quitosano con un rayo láser produjeron los patrones de difracción correctos.

Espectrómetros de un solo uso

"Las rejillas de difracción son los componentes principales de los espectrómetros, instrumentos utilizados en una variedad de aplicaciones industriales y científicas para analizar la forma en que la luz interactúa con una muestra para determinar su composición química", dijo Guerrero. "Las rejillas convencionales generalmente están hechas de materiales pesados ​​como el vidrio, pero las rejillas hechas de quitosano podrían usarse para fabricar espectrómetros más livianos y menos costosos".

Los investigadores aún no han probado la durabilidad de las rejillas de quitosano, pero dicen que serían apropiadas para los espectrómetros desechables utilizados para el trabajo de campo. Tal instrumento podría usarse para analizar la contaminación del agua en un arroyo o un producto alimenticio o farmacéutico en el piso de la fábrica, por ejemplo. Dado que el material es biodegradable, los dispositivos fabricados con quitosano tendrían un impacto mínimo en el medio ambiente. También están trabajando para mejorar la eficiencia energética de las rejillas de quitosano para que sean prácticas para aplicaciones del mundo real.

"Para las comunidades involucradas en la industria del cangrejo, particularmente en Filipinas, nuestros hallazgos agregan valor a sus productos del mar, ya que incluso los componentes de desecho podrían encontrar uso en la fabricación óptica", dijo Guerrero. "Con la colaboración adecuada entre las empresas y el gobierno local, el quitosano extraído de los caparazones de los cangrejos podría generar mayores ingresos y una mejor calidad de vida para los pescadores de cangrejos y sus familias".

Papel:EG Gumayan, IKD Dimzon, RA Guerrero, "Chitosan de desechos de caparazón de cangrejo para litografía blanda de rejillas de difracción bioplásticas", Applied Optics, vol. 62, número 10 págs. 2487-2492 (2023). DOI: https://doi.org/10.1364/AO.483336

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Óptica Aplicada

10.1364/AO.483336

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22-mar-2023

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