黑科技|蟹壳也能做高精密的光学元件

摘要:马尼拉雅典耀大学的研究人员近期发表文章称，已经开发了一种将蟹壳转化为生物塑料的方法，并且已经利用这种生物塑料制造出来了衍射光栅[1]。一种全新的可生物降解、重量轻、价格合理的光栅有望替代传统光栅，并且使得一次性便携光谱仪成为可能。

图片来源：RaphaelA.Guerrero，马尼拉雅典耀大学

变废为宝，化腐朽为神奇

每年的联合国气候峰会都在为全球环境污染提出解决方案，不可持续的消费和生产模式是气候变化、生物多样性丧失和污染是三种全球危机的根源。日常生活中的美味螃蟹也就有40%的重量是可食用的，其余的蟹壳除了自然讲解风化掉很少有人注意到该如何处理。论文的作者之一Guerrero也说：“我们的一位合著者EfrenGumayan参观了菲律宾北伊洛伊洛当地的一家蟹肉加工厂，在那里他观察到每天产生大量蟹壳废物，于是乎他受到了启发，为何不研究下废物利用，变废为宝呢？”

研究人员将干蟹壳研磨成粉末（左），然后使用化学工艺制成适合制作衍射光栅的溶液（右）。[图片：EGGumayan，马尼拉雅典耀大学]

研究人员利用烤箱烘干梭子蟹的蟹壳，然后研磨成上图中的粉末状颗粒，并且利用化学制剂溶解再提炼出一种壳聚糖[2]。研究团队准备了用于制造光栅的硅胶模具，将制备好的壳聚糖溶液倒入模型中，等到完全固化好后就能够获得商用光栅的完美复刻品。

光学性能和结构优良

制备的过程作者也在原文中详细给出[4]，而且还是用FTIR(傅立叶变换红外)光谱法确定了壳聚糖的光谱，满足制作光栅的条件。

蟹壳中壳聚糖的FTIR光谱(图源：RaphaelA.Guerrero，马尼拉雅典耀大学)

然后研究团队还利用3D扫描电镜对于光栅表面进行了扫描，发现壳聚糖光栅表面拥有周期性三角形凹槽结构，进一步证实了壳聚糖对于软光刻工艺的加工能力，表面凹槽的间距为1656±51nm，与光栅模具的1667nm相差无几，平均间距和深度偏差为3.7%和18%。

光栅表面AFM图(图源：RaphaelA.Guerrero，马尼拉雅典耀大学)

一次性光谱仪

研究团队对于制备好的壳聚糖光栅做了衍射实验，通过定向激光束垂直入射到衍射光栅上，得到多个衍射级。在下图中我们通过计算衍射点的间距和光栅与观察屏的距离，可以得到第一级衍射角为18.4±0.8°，仅和理论计算的18°相差2.2%。

壳聚糖光栅的衍射图(图源：RaphaelA.Guerrero，马尼拉雅典耀大学，红色箭头为作者所加)

作者Guerrero也在文中指出，衍射光栅是光谱仪的主要组件，很多科研人员需要在野外或者远洋采集样本，传统的光谱仪价格昂贵，衍射光栅的制造及其复杂，重量和价格几乎让该种设备没有便携性和可替换性。蟹壳废物利用制造壳聚糖的的研究可以改变这一现状，材料本身的生物可降解性和价格低廉等特点，让一次性光谱仪存在了可能。海鲜食品的壳也有了全新的用途，尤其对于加工厂来说，变废为宝能够增加新的产业收入于国于民都是极好的。

拓展阅读：

[1]衍射光栅：衍射光栅仍然是极其重要的光学元件，在集成光学、全息术、光谱分析、开关、信号转换、光谱学、电信、声光调制器和扫描仪的系统中都有发现。尽管可以使用先进的微加工和纳米加工技术，但由于缺乏可靠且具有成本效益的智能材料，满足按需设计要求仍然是一个挑战。

[2]壳聚糖：壳聚糖是一种阳离子聚合物，通过甲壳类动物、昆虫、节肢动物和软体动物的外骨骼甲壳素脱乙酰化获得。已发现壳聚糖可生物降解且无毒，是合成化合物的理想替代品，包括组织工程、人造皮肤绷带、隐形眼镜和手术缝合线，壳聚糖薄膜也可用于光学器件，用作波导的基材和衍射光栅。

[3]软光刻：软刻蚀，是一种应用于制造与微制造的基础技术，其利用高分子高弹体作为掩膜、印章或者模板来制造纳米尺度的结构，在光栅制造中通常使用硅胶模具复制物体纳米级表面特性。

参考文献:

Gumayan,E.G.,etal.(2023)Chitosanfromcrabshellwasteforsoftlithographyofbioplasticdiffractiongratings.AppliedOptics.doi:10.1364/AO.483336.