研究人员用蟹壳制造可生物降解的光学元件

研究人员开发了一种将蟹壳变成生物塑料的工艺，可用于制造称为衍射光栅的光学元件。由此产生的轻质、廉价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。

“菲律宾以美味的海鲜而闻名，但这个行业也是大量固体废物的来源，如废弃的蟹壳，”菲律宾马尼拉雅典耀大学的研究团队负责人Raphael A. Guerrero说。“我们想找到蟹壳废物的替代用途，并决定找出蟹壳中的壳聚糖是否可以用作有机硅的可生物降解替代品，我们之前曾在实验室中使用过硅胶来制造衍射光栅。

在应用光学中，研究人员表明，基于壳聚糖的生物塑料可用于制造衍射光栅，其工作原理与市售光栅一样。

“由壳聚糖制成的光栅是可生物降解和环保的，同时也非常便宜，因为蟹壳通常被认为是废物，”格雷罗说。“通过证明有用的光学元件可以由通常被认为是废物的材料制成，我们希望帮助提高光学制造的可持续性，并减少需要处理的海鲜废物量。

将蟹壳变成光学元件

研究人员决定探索壳聚糖，因为它具有有前途的光学特性。壳聚糖以纯化形式作为溶液，是透明的，可以像硅胶一样成型，同时具有更高的折射率，这对于某些应用很重要。

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壳，并在烤箱中干燥。然后将贝壳粉碎成粉末，并使用化学工艺变成壳聚糖溶液。

研究人员使用软光刻术从壳聚糖溶液中制作光栅，这是一种使用硅胶模具复制物体纳米级表面特征的复制过程。这涉及制备市售衍射光栅的硅胶铸件，然后将壳聚糖溶液倒入其中。当解决方案硬化时，它创建了商业光栅的复制品。

“与激光蚀刻等减材方法不同，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性质，以更好地满足特定需求。

衍射光栅的表面有数千个微观凹槽，可以将白光分解成其成分颜色。当白光用于照亮壳聚糖光栅时，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来确认壳聚糖光栅凹槽之间的间距与原始商业光栅之间的间距相对应。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。

一次性光谱仪

“衍射光栅是光谱仪的主要组成部分，光谱仪是各种工业和科学应用中用于分析光与样品相互作用以确定其化学成分的方式的仪器，”格雷罗说。“传统的光栅通常由玻璃等重材料制成，但壳聚糖制成的光栅可用于制造更轻、更便宜的光谱仪。

研究人员尚未测试壳聚糖光栅的耐用性，但表示它们适用于用于野外工作的一次性光谱仪。例如，这种仪器可用于分析工厂车间的溪流或食品或药品中的水污染。由于这种材料是可生物降解的，因此由壳聚糖制成的设备对环境的影响最小。他们还致力于提高壳聚糖光栅的功率效率，使其适用于实际应用。

“对于从事螃蟹产业的社区，特别是在菲律宾，我们的发现增加了他们的海鲜产品的价值，因为即使是废物成分也可以用于光学制造，”格雷罗说。“通过企业和当地政府之间的适当合作，从蟹壳中提取的壳聚糖可以为螃蟹渔民及其家人带来收入和更好的生活质量。