利用蟹壳制造可生物降解的光学元件

研究人员已经研发了一种将蟹壳转化为生物塑料的方法，这种生物塑料可以用来制造衍射光栅。由此制造的可生物降解、重量轻、价格合理的光栅使生产便携式一次性光谱仪成为可能。

研究人员开发了一种将蟹壳转化为生物塑料的工艺，可用于制造被称为衍射光栅（在镊子中）的光学元件。图片来源：Raphael A. Guerrero，马尼拉雅典耀大学

马尼拉雅典耀大学的研究小组组长格雷罗表示：“菲律宾以美味的海鲜而闻名，但该行业也是大量固体废物的来源，例如废弃的蟹壳。我们想寻找蟹壳废料的其它用途，并决定研究蟹壳中的壳聚糖是否可以用作硅酮的可生物降解替代品，我们之前在实验室中用硅酮制造衍射光栅。”

在Optica出版集团的《应用光学》杂志上，研究人员展示了这种基于壳聚糖的生物塑料如何用于制造衍射光栅，这种衍射光栅的工作性能与市场上的衍射光栅一样好。

格雷罗补充说: “壳聚糖制成的光栅具有生物可降解性和环境友善性，而且非常便宜，因为蟹壳通常被认为是废物。我们希望通过展示有用的光学元件可以从被认为是废物的材料中制造出来，从而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的数量。”

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将蟹壳制成光学器件

由于壳聚糖具有良好的光学性质，研究人员选择对其进行研究。壳聚糖的纯化形式是一种溶液，它是透明的，可以以类似于硅树脂的方式成型，同时具有更高的折射率，这对于某些应用是至关重要的。

研究人员从附近的加工厂获得了蟹壳，将它们清洗干净，并在烤箱中烘干，以提取壳聚糖。随后，这些壳被粉碎成粉末，用化学方法转化为壳聚糖溶液。

软光刻是一种使用硅胶模具复制物体纳米级表面特性的技术，研究人员利用壳聚糖溶液制造了光栅。

这包括准备一个市场上在售衍射光栅的硅树脂模型，并将壳聚糖溶液倒入其中。当溶液固化时，就会产生一个商用光栅的复制品。

“与激光蚀刻等方法不同，我们的软光刻技术不会产生壳聚糖废料。我们还可以通过改变所使用的化学步骤来改变壳聚糖的物理特性，以更好地满足特定需求。”格雷罗进一步补充说。

衍射光栅的表面包括数千个小凹槽，可以将白光分成多种颜色。当使用白光照射壳聚糖光栅时，很容易看到预期的彩虹图案。

研究人员还利用原子力显微镜来确保壳聚糖光栅的沟槽间距与最初的商业光栅相同。然后用激光束对壳聚糖衍射光栅进行测试，发现可以产生所需的衍射图样。

一次性光谱仪

格雷罗指出，衍射光栅是光谱仪的主要组件，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仪器。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。

壳聚糖光栅尚未经过坚固性测试，但研究人员声称它们适用于一次性的野外工作光谱仪。例如，这种设备可用于检查工厂车间的食品或药品或溪流中的水污染。

由于材料的生物降解性，由壳聚糖制成的设备对环境的影响最小。为了使壳聚糖光栅可用于实际应用，他们还在尝试提高其功率效率。

格雷罗总结道：“对于从事螃蟹产业的社区，特别是在菲律宾，我们的发现这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。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。”

参考文献:

Gumayan, E. G., et al. (2023) Chitosan from crab shell waste for soft lithography of bioplastic diffraction gratings. Applied Optics. doi:10.1364/AO.483336.