Матеріалознавці отримали з листя шовковиці вуглецеві точки та погодували ними шовкопрядів, щоб отримати флуоресцентний шовк. Нагодовані наночастинками комахи засвітилися червоним світлом, успішно перетворилися на метеликів та навіть відклали флуоресцентні яйця, з яких змогли вилупитися нові личинки. Тож враховуючи простоту виготовлення такого «корму» та стовідсоткову виживаність виробників флуоресцентного шовку, метод цілком можна поширити на промислові масштаби. Чим годувати шовкопрядів, вчені описали у Advanced Materials.
Jun Liu at al. / Advanced Materials, 2022
Чому не покрити шовк фарбою?
Матеріалознавці не вперше шукають способів наділити натуральний шовк флуоресценцією, адже сам по собі він, хоч і має відмінні механічні властивості, проявляє хіба блідо-блакитний, блідо-жовтий відтінки або не флуоресціює в ультрафіолеті зовсім. Для надання кольору готовим виробам фіброїн шовку піддають фарбуванню, що вимагає тривалої постобробки для повернення шовку його якостей. Наділити такими властивостями шовк можна за допомогою генетичної модифікації шовкопрядів, що, втім, є не лише дороговартісним та складним процесом, а і може стати проблемним для самих комах. Виробництво ж і використання барвників може шкодити довкіллю і здоров'ю.
Однак вже існують дослідження, згідно з якими годування мілких видів тварин на кшталт комах може змінити або їхній зовнішній виклад, або навіть певні анатомічні властивості, а також і продукти виробництва цих тварин. Таким чином, враховуючи, що нанотехнології дісталися і багатоклітинних, годування шовковичних шовкопрядів чимось нетоксичним, біосумісним, екологічно безпечним та люмінесцентним може стати оптимальною стратегією для виготовлення флуоресцентного шовку. І у своїй роботі китайські матеріалознавці з університету Фудань вирішили звернутися до вуглецевих точок, які вони виготовили з листя шовковиці.
Чим нагодували комах?
Взагалі флуоресцентні вуглецеві наночастинки або вуглецеві точки (carbon dots) використовуються як біосенсори або мітки для отримання зображень живих клітин. Відносно молодий наноматеріал має великий потенціал у діагностичній медицині та навіть для доставки ліків з огляду на його нетоксичність, біосумісність та фотостабільність. І, звісно, завдяки флуоресцентним властивостям, що зробили карбонові точки конкурентами квантовим точкам з важких металів та органічних барвників. Вуглецеві точки вченим вдавалося отримувати з томатів, яблучного соку, шкірки кавунів тощо.
Однак поки точно пояснити механізми, відповідальні за властивості цих наночастинок, вченим не вдається, враховуючи, що ці наночастинки навіть з одних і тих самих матеріалів можуть у різних умовах проявляти різні властивості. Втім, у більшості досліджень спектри випромінювання таких вуглецевих точок мають максимальні піки з центром у синій області з низькими квантовими виходами. Тож попри те, що вуглецеві точки вже слугували кормом для шовкопрядів і, наприклад, допомогли їм утворити шовк з кращими механічними властивостями, він світився все ж синім. А довших довжин хвиль випромінювання досягти матеріалознавцям не вдавалося.
У цій роботі вчені подрібнили та екстрагували етанолом свіже листя шовковиці, а потім отриманий розчин етанолу нагрівали в автоклавах при 150 градусах Цельсія протягом чотирьох годин. Після охолодження до кімнатної температури розчин фільтрували та сушили. Червоного випромінювання вдалося досягнути в екстрагованих у дихлорометані зразках.
Jun Liu at al. / Advanced Materials, 2022
Спектр випромінювання охоплює ультрафіолетову і видиму частини спектру, а пік випромінювання знаходиться на довжині хвилі у 676 нанометрів. Так за звичайного світла вони флуоресціюють зеленим кольором (тим часом екстраговані у воді мають таку властивість лише в ультрафіолетовому), а за ультрафіолетового випромінюють яскраво-червоним.
При цьому довжина хвилі випромінювання не змінюється від збільшення довжини хвилі збудження від 410 до 670 нанометрів, що свідчить про те, що зразок не є сумішшю різних флуоресцентних речовин. Крім того, з відомих способів виготовлення вуглецевих точок з червоним випромінюванням лише кілька зразків вдалося отримати з біомаси, що могло б гарантувати екологічну безпеку. Цими біосумісними і гідрофобними частинками розміром у 38 нанометрів вчені нагодували шовкопрядів.
Зразки з водного розчину (b) та дихлорометану (c) у різному світлі Jun Liu at al. / Advanced Materials, 2022
Як засвітилися шовкопряди?
Сотні шовковичних шовкопрядів годували звичайним свіжим листям шовковиці до другого дня після четвертого линяння, а після чого відібрали 120 шовкопрядів з однаковою масою тіла для наступних дослідів. 20 з них стали контрольною групою, решту ж годували листям, обприсканим розчинами вуглецевих точок у різній концентрації. За словами вчених, усі піддослідні росли здоровими до утворення кокона. Після 24-годинного голодування шовкопрядів дослідної групи досліджували при опроміненні зеленим світлом.
На ілюстрації нижче видно яскраво-червоне світіння всього тіла шовкопряда, хоча флуоресценція переважно локалізується у кровоносних судинах і з обох боків грудної клітини комахи. Шовкопряди з контрольної групи не виявляли жодної явної флуоресценції і при опроміненні ультрафіолетом виявляли лише слабке жовте свічення на своїх чотирьох парах черевних ніг та місці з'єднання деяких черевних сегментів.
Jun Liu at al. / Advanced Materials, 2022
Хоча піддослідних шовкопрядів розділили на шість груп відповідно до різної концентрації одержуваних наночастинок, всі вони стабільно росли і не відрізнялися за вагою. Всі вижили і всі змогли нормально створити кокон, що лише підтверджує безпеку такого корму. І найголовніше, кокони всіх піддослідних груп видавали рожевий відтінок при денному світлі та випромінювали червоним в ультрафіолетовому. Причому навіть метелики після виповзання з кокона могли світитися червоним в ультрафіолеті та при цьому нормально розмножуватися — з відкладених ними також флуоресцентних яєць вилупилося друге покоління шовкопрядів, які також нормально продовжили свій розвиток.
Jun Liu at al. / Advanced Materials, 2022
А от паперовим осам особливий корм і не потрібен — їхній шовк наділяє гнізда таким світінням, що його можна помітити з відстані від п'яти до двадцяти метрів. І взагалі явища люмінесценції та флуоресценції насправді доволі властиві природі. nauka.ua розбиралася з тим, як, хто і навіщо світиться у матеріалі «Створіння світла, створіння темряви».