Цвет — один из самых богатых источников сенсорной информации в повседневной жизни. На протяжении всей истории человечества увлечение цветом побуждало людей создавать все более совершенные и эффективные пигменты. От наскальных рисунков эпохи палеолита до разработки первых синтетических красителей в середине 19 века, поиск более чистых, устойчивых к выцветанию и экологически безопасных веществ остается очень активным.
Хотя химические красители могут производиться в больших количествах, большинство из них состоят из токсичных материалов, которые трудно удалить при переработке и которые являются причиной загрязнения воды. Кроме того, будучи химически нестабильными, они со временем выцветают, и этот процесс ускоряется при высоких температурах или сильном воздействии света.
Помимо чисто декоративного применения в текстильной, косметической и пищевой промышленности, за последние несколько десятилетий исследования в области красителей получили развитие, в частности, в технологиях отображения информации, оптического хранения, обнаружения и цветотерапии. Не остался в стороне и сектор функциональных покрытий, целью которого является, например, создание краски с высокой тепловой отдачей, позволяющей отражать большую часть световой энергии, не проникая в поверхность.
Недавно исследователь Дебашис Чандра из Университета Центральной Флориды, профессор Центра нанонаучных технологий UCF, вдохновившись бабочками, создал первую крупномасштабную, многоцветную, экологически чистую альтернативу красителям на основе пигментов. Этот прорыв может способствовать усилиям по энергосбережению и тем самым помочь в борьбе с глобальным потеплением. Его работа опубликована в журнале .
Цвет не только для людей — бабочки, птицы и цветы имеют необыкновенные, естественные цвета. Чандра поясняет в своем заявлении: «Структурный цвет служит основным механизмом генерации цвета у нескольких чрезвычайно ярких видов, где геометрическое расположение двух обычно бесцветных материалов создает все цвета«.
Основываясь на этих биоинспирациях, исследовательская группа Чандры разработала плазмонную краску (способность электронов на поверхности металла резонировать под воздействием частиц света — фотонов — и отражать эти частоты), которая использует наноразмерное структурное расположение бесцветных материалов — алюминия и оксида алюминия — вместо пигментов для получения цвета.
Если пигментные красители управляют поглощением света на основе электронных свойств материала, и поэтому для каждого цвета требуется новая молекула, то структурные красители управляют тем, как свет отражается, рассеивается или поглощается, основываясь исключительно на геометрическом расположении наноструктур. В зависимости от их расположения компоненты материала имеют совершенно разные оттенки или даже являются бесцветными.
Если говорить конкретно, то краска состоит из крошечных алюминиевых хлопьев, перемежающихся с еще более мелкими наночастицами алюминия. Исследователи соединили эти структурные цветные хлопья с коммерческим связующим веществом для создания прочных покрытий любого цвета. Цветные хлопья можно хранить в сухом виде или диспергировать в растворе.
Чандра отмечает: «Обычный цвет выцветает, потому что пигмент теряет способность поглощать фотоны. Здесь мы не ограничены этим явлением. Как только мы покрасим что-то структурным цветом, он должен сохраниться на века«.
Эти структурные краски являются экологически чистыми, поскольку в них используются только металлы и оксиды, в отличие от современных красок на основе пигментов, которые производятся с помощью искусственно синтезированных молекул или тяжелых металлов, таких как кадмий и кобальт, говорят авторы.
Кроме того, поскольку плазмонные краски отражают весь инфракрасный спектр, меньше тепла поглощается поверхностью, на которую они нанесены, которая остается на 1-3 °C холоднее, чем поверхность, покрытая обычной краской. Это значительное преимущество в условиях глобального потепления, говорит Чандра.
Он добавляет: «Разница температур, которую обещает плазмонная краска, приведет к значительной экономии энергии. Использование меньшего количества электроэнергии для охлаждения также сократит выбросы углекислого газа, тем самым уменьшив глобальное потепление«.
Плазмонная краска также очень легкая благодаря высокому соотношению поверхности и толщины: полная окраска достигается при слое всего в 150 нанометров. Она настолько легкая, что всего 1,3 кг плазмонной краски может покрыть самолет Boeing 747, для которого обычно требуется 500 кг обычного покрытия.
Это потенциально может привести к снижению расхода топлива для самолетов и автомобилей, покрытых этой краской. Следующие шаги в проекте включают дальнейшие исследования энергосберегающих аспектов этого покрытия, чтобы повысить его жизнеспособность в качестве коммерческой краски. Следующие шаги в проекте включают дальнейшие исследования энергосберегающих аспектов этого покрытия, чтобы повысить его жизнеспособность в качестве коммерческой краски, которую необходимо производить в больших масштабах по разумным ценам.