Az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Műszaki Fizikai és Anyagtudományi, valamint Energia- és Környezetbiztonsági Intézetének kutatói kísérletekkel igazolták, hogy bizonyos lepkefajok szárnyának cink-oxiddal történő bevonásával környezetkímélő módon és olcsón állíthatók elő fotonikus nanoszerkezetek, amelyek lehetővé teszik a napenergia közvetlen hasznosítását kémiai folyamatok előidézésére. Az eredmények új távlatokat nyithatnak többek között a vízben oldott szennyező anyagok – például festékek, gyógyszermaradványok, mikroműanyagok – káros hatásainak csökkentését célzó vízkezelés terén. A kutatást bemutató tanulmány a Royal Society Open Science című rangos szakfolyóiratban jelent meg.
A napfényt a jövő elsődleges megújuló energiaforrásaként tartjuk 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 (ZnO) és a titán-dioxid (TiO2) 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. Tulajdonságaik révén sajnos mind a cink-oxid, mind a titán-dioxid 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.
Ennek egyik lehetséges módja a tudomány által fotonikus kristályokként ismert, a fény terjedését befolyásolni képes különleges nanoszerkezetek használata. A fotonikus kristályok két fényáteresztő, de optikai tulajdonságaikban jelentősen eltérő anyagból felépülő nanokompozitok (1. ábra), amelyekben az egyes alkotó anyagok 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, azonban drága és időigényes, képzett szakembereket igényel, 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. A lepkék hernyói növényevők, sok esetben a mezőgazdaságban termesztett növények leveleivel táplálkoznak.
Az EK kutatói közönséges vagy Ikarusz boglárka lepkéket (Polyommatus icarus) (2. ábra) 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 (Atomic Layer Deposition, ALD) lehetséges a kitinalapú fotonikus nanoarchitektúra konformális beborítása néhány nanométer vastagságú cink-oxid réteggel, mely réteg vastagságának változtatásával a visszavert fény színe is hangolható (3. ábra).
A kísérletekhez a kutatók különböző fajoktól származó, néhány nanométer vastagságú cink-oxid réteggel borított lepkeszárnyakat alkalmaztak. 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 (4. ábra).
4. ábra: A rodamin B fény indukálta bomlásának kísérletileg mért sebessége a cink-oxiddal borított lepkeszárny fényvisszaverésének és a rodamin B fényelnyelésének átfedése függvényében. Minél nagyobb az átfedés, annál nagyobb a cink-oxiddal borított lepkeszárny fotokatalitikus aktivitása.
A kutatás az EK 139/2021 számú kiemelt költségvetési projektje, valamint az Innovációs és Technológiai Minisztérium TKP2021-NKTA-05 projektje keretében valósult meg.
Publikáció:
Piszter, G., Kertész, K., Nagy, G., Baji, Z., Horváth, Zs. E., Bálint, Zs., Pap, J. S., & Biró, L. P. (2022). Spectral tuning of biotemplated ZnO photonic nanoarchitectures for photocatalytic applications. Royal Society Open Science, 9(7). doi: 10.1098/rsos.220090
