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 – olvasható az ELKH oldalán.
Mint írják, 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. Megjegyzik, 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” – hívják föl a figylmet. 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) 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 – olvasható.
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.
A kutatást bemutató tanulmány a Royal Society Open Science című rangos szakfolyóiratban jelent meg.