Forschende der CU Boulder haben ein lebendes Material in 3D gedruckt, das ohne Elektrizität leuchtet. Dafür betteten sie biolumineszente Algen in wasserbasierte Strukturen ein. Laut CU Boulder Today könnte die wegweisende Erfindung künftig Technologien von autonomen Unterwasserrobotern bis hin zu Umweltsensorsystemen unterstützen, die mit biologischen Organismen statt mit Batterien betrieben werden.
Die Studie, veröffentlicht in Science Advances, konzentriert sich auf Pyrocystis lunula. Diese biolumineszente Algenart ist für das auffällige blaue Leuchten bekannt, das manchmal in Meereswellen zu sehen ist. Das Forschungsteam entdeckte eine Möglichkeit, dieses Leuchten mit einfachen sauren und basischen chemischen Lösungen auszulösen und aufrechtzuerhalten.
„Dieses Projekt war eine ausgesprochen kühne Idee“, sagte Wil Srubar, Professor am Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering. „Ich wollte wissen, ob wir eine Welt schaffen könnten, in der wir Licht nicht mit Elektrizität, sondern mithilfe der Biologie erzeugen.“
Das Team setzte die Algen sauren und basischen Umgebungen aus und stellte fest, dass beide die Lichterzeugung auslösen konnten. Unter sauren Bedingungen leuchteten die Algen bis zu 25 Minuten lang hell. Das ist erheblich länger als die in der Natur üblichen Lichtblitze im Millisekundenbereich.
„Es war ein sehr aufregender Moment, als wir den richtigen chemischen Reiz fanden, mit dem das Licht lange eingeschaltet blieb“, sagte Giulia Brachi, Erstautorin und wissenschaftliche Mitarbeiterin. „Zum ersten Mal haben wir herausgefunden, wie sich die Lumineszenz aufrechterhalten lässt.“
Um diese erstaunlichen leuchtenden Organismen in funktionale Materialien zu überführen, betteten die Forschenden die Algen in ein Hydrogel natürlichen Ursprungs ein. Mithilfe von 3D-Druck erzeugten sie leuchtende Strukturen, darunter geometrische Muster und ein CU-Buffalo-Logo. In den gedruckten Formen blieben die Algen wochenlang am Leben. Einige Strukturen behielten nach vier Wochen noch 75% ihrer Helligkeit.
Über die visuelle Wirkung hinaus zeigt die Arbeit einen nachhaltigeren Ansatz zur Beleuchtung. Da die Algen Photosynthese betreiben, nehmen sie Kohlendioxid auf, während sie Licht erzeugen.
„Wir speichern Kohlenstoff, während wir Licht erzeugen. Bei herkömmlicher Beleuchtung setzen wir dagegen Kohlenstoff frei, um Räume zu beleuchten“, bemerkte Srubar.
Die Forschenden wollen nun weiter untersuchen, ob die Algen auch auf andere Chemikalien reagieren können. Daraus könnten lebende Sensoren für die Wasserqualität und weitere reaktionsfähige Biotechnologien entstehen.
