En kemiforskare vid Oregon State University som skrev historia för ett decennium sedan med den oavsiktliga upptäckten av det första nya blåa oorganiska pigmentet på mer än två århundraden driver återigen fram vetenskapen om färg.

Analysera kristallstrukturen hos pigment baserade på hibonit, ett mineral som finns i meteoriter, Mas Subramanian från OSU College of Science har banat väg för att designa fler pigment som är stabila, hållbar och giftfri med livliga nyanser.

Resultat från studien, med stöd av National Science Foundation, publicerades i tidskriften American Chemical Society, ACS Omega .

Subramanian och hans team upptäckte YInMn blue 2009 när de experimenterade med nya material som kunde användas i elektronikapplikationer.

"Vi hade tur första gången med YInMn blue, och nu har vi kommit fram till några designprinciper, " sa Subramanian.

Genom mycket av mänsklig historia, människor runt om i världen har sökt oorganiska föreningar som kan användas för att måla saker blå, ofta med begränsad framgång. De flesta hade miljö- eller hållbarhetsproblem.

"De flesta pigment upptäcks av en slump, " Subramanian sa. "Anledningen är att ursprunget till färgen på ett material beror inte bara på den kemiska sammansättningen, men också på det invecklade arrangemanget av atomer i kristallstrukturen. Så någon måste göra materialet först, studera sedan dess kristallstruktur noggrant för att förklara färgen."

Innan YInMn blå, den senaste blå upptäckten var kobolt-aluminiumoxid-baserad blå, syntetiserades av en fransk kemist 1802. Koboltblått förblir ett dominerande kommersiellt pigment på grund av dess färgintensitet, enkel syntes och bred tillämpbarhet.

Dess produktion, dock, kräver en betydande mängd av en koboltjon, Co ²⁺ , som är farligt för både människor och miljön.

Genom att analysera strukturen av hibonitbaserade blå pigment, Subramanian har utvecklat ett sätt att matcha eller överträffa koboltblått liv samtidigt som man använder mycket mindre av den skadliga cancerframkallande koboltjonen, eller byta ut den helt.

De hibonitbaserade pigmenten är mer termiskt stabila än koboltblått på grund av sin högre beredningstemperatur och förblir oförändrade strukturellt och optiskt vid exponering för stark syra och alkali.

Forskarna rapporterar att en oxid som innehåller kalcium, aluminium, titan tillsammans med kobolt eller nickel kan kristallisera till en struktur som liknar hibonit som möjliggör en serie blå färger.

Jämfört med traditionell koboltblå, den nya blå kan "justeras" genom att justera hur mycket kobolt (Co ²⁺ ), nickel (Ni ²⁺ ) och titan (Ti ⁴⁺ ) placeras i hibonitstrukturens tre möjliga "kromofor"-miljöer; det är de delar av en molekyl som bestämmer färg genom att reflektera vissa våglängder av ljus samtidigt som de absorberar andra.

Denna studie visar närvaron av kromoforer i en "trigonal bipyramidal-formad kristallmiljö" - huvudsakligen bestående av två triangulära baspyramider sammanfogade bas till bas - är avgörande för färgförbättring.

"Denna del av kristallstrukturen av hibonit, som YInMn blå, möjliggör levande blå färger med en rödaktig nyans, " sade Subramanian. "Den hibonitblå uppvisar bättre energibesparing, värmereflekterande egenskaper än traditionell koboltblå på grund av närvaron av titan och mindre kobolthalt.

"I naturen, Hibonit finns bara i meteoriter som har utsatts för tusentals graders temperatur när de går genom jordens atmosfär, så det är vettigt att strukturen är anmärkningsvärt stabil, ", tillade han. "Denna sorts mineralstrukturer är förmodligen framtiden för att designa hållbara och säkra oorganiska pigment."

Att fastställa de viktigaste strukturella ingredienserna som krävs för att göra levande färger bör möjliggöra kortare tid mellan pigmentupptäckten, Subramanian sa, och tillägger att vetenskapen inte alltid följer en föreskriven väg.

"Forskning är som när du går på en resa för att se något, och när du kommer dit var det kanske inte så intressant som du trodde det skulle vara, men det du såg längs vägen var mer intressant än du hade kunnat föreställa dig."