研究者が生分解性光学部品を作る

Jun 11, 2023

魚介類の廃棄物から作られた回折格子により、環境に害を及ぼさない使い捨て分光計が可能になる可能性がある

光学式

画像: 研究者らは、カニの殻をバイオプラスチックに変換するプロセスを開発しました。このプロセスは、回折格子として知られる光学部品 (ピンセットの場合) の製造に使用できます。もっと見る

クレジット: Raphael A. Guerrero、アテネオ デ マニラ大学

ワシントン — 研究者らは、カニの殻を回折格子として知られる光学部品の製造に使用できるバイオプラスチックに変えるプロセスを開発した。 結果として得られる軽量で安価な回折格子は生分解性であり、使い捨て可能なポータブル分光計を可能にする可能性がある。

フィリピンのアテネオ・デ・マニラ大学の研究チームリーダー、ラファエル・A・ゲレロ氏は、「フィリピンはおいしい海産物で知られているが、この産業は捨てられたカニの殻などの大量の固形廃棄物の発生源でもある」と述べた。 「私たちはカニ殻廃棄物の代替用途を見つけたいと考え、以前に回折格子を作るために研究室で使用していたシリコーンの生分解性代替品としてカニ殻からのキトサンを使用できないかどうかを調べることにしました。」

Optica Publishing Group のジャーナル Applied Optics で、研究者らは、キトサンベースのバイオプラスチックを使用して、市販のものと同じように機能する回折格子を作成できることを示しました。

「キトサンで作られた格子は生分解性で環境に優しいだけでなく、カニの殻は一般に廃棄物と考えられているため、非常に安価でもあります」とゲレロ氏は語った。 「一般に廃棄物と考えられている材料から有用な光学部品を製造できることを示すことで、光学製造における持続可能性を向上させ、廃棄が必要な魚介類廃棄物の量を削減したいと考えています。」

カニの甲羅を光学部品に変える

研究者らは、キトサンの光学的特性が期待できるため、キトサンを研究することにしました。 溶液として精製された形態では、キトサンは透明であり、特定の用途にとって重要であるより高い屈折率を持ちながら、シリコーンと同様に成形できます。

カニの殻からキトサンを抽出するために、研究者らは地元の加工工場から収集した殻を洗浄し、オーブンで乾燥させた。 次に、貝殻を粉砕して粉末にし、化学プロセスを使用してキトサン溶液に変えました。

研究者らは、ソフトリソグラフィー（シリコン型を使用して物体のナノスケール表面特徴をコピーする複製プロセス）を使用してキトサン溶液から格子を作成した。 これには、市販の回折格子のシリコンキャストを準備し、その中にキトサン溶液を注入することが含まれていました。 溶液が固まると、市販の格子のレプリカが作成されました。

「レーザー エッチングなどのサブトラクティブ法とは異なり、当社のソフト リソグラフィー技術ではキトサン廃棄物が発生しません」とゲレロ氏は述べています。 「使用する化学ステップを変更することで、特定のニーズによりよく適合するようにキトサンの物理的特性を変更することもできます。」

回折格子の表面には何千もの微細な溝があり、白色光をその成分色に分割できます。 白色光を使用してキトサン格子を照射すると、研究者らは予想された虹のパターンをはっきりと見ることができました。 彼らはまた、原子間力顕微鏡を使用して、キトサン格子の溝間の間隔が、元の市販の格子の間隔と一致していることを確認した。 最後に、レーザービームを用いたキトサン回折格子のテストにより、正しい回折パターンが得られました。

使い捨て分光計

「回折格子は、分光計の主要なコンポーネントです。分光計は、光がサンプルとどのように相互作用するかを分析して化学組成を決定するために、さまざまな産業および科学用途で使用される機器です」とゲレロ氏は述べています。 「従来の回折格子は通常、ガラスなどの重い材料で作られていますが、キトサンで作られた回折格子を使用すれば、より軽量で安価な分光計を作成できる可能性があります。」

研究者らはキトサン格子の耐久性をまだテストしていないが、フィールドワークで使用する使い捨て分光計には適しているだろうと述べている。 このような機器は、たとえば、川の水質汚染や工場現場の食品や医薬品の分析に使用できます。 材料は生分解性であるため、キトサンで作られたデバイスは環境への影響を最小限に抑えます。 彼らはまた、キトサン回折格子を実際の用途に実用化するために、キトサン回折格子の電力効率を改善することにも取り組んでいます。

「特にフィリピンのカニ産業に従事する地域社会にとって、私たちの発見は水産物に付加価値を与えるものです。なぜなら、廃棄部品でさえ光学製造に利用できる可能性があるからです」とゲレロ氏は述べた。 「企業と地方自治体が適切に連携すれば、カニの殻から抽出したキトサンはカニ漁師とその家族の収入増加と生活の質の向上につながる可能性がある。」

紙：EG グマヤン、IKD ディムゾン、RA ゲレーロ、 「バイオプラスチック回折格子のソフトリソグラフィー用のカニ殻廃棄物からのキトサン」、Applied Optics、vol. 62、10 号、2487-2492 ページ (2023).DOI: https://doi.org/10.1364/AO.483336

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