En forskare från Oregon State University som skrev färghistoria 2009 med ett levande blått pigment har utvecklat hållbara, rödaktiga magentas inspirerade av månens mineralogi och forntida egyptisk kemi.

Mas Subramanian, framstående professor i kemi, och medarbetare vid OSU rapporterar resultaten av studien i tidskriften Chemistry of Materials .

De nya pigmenten, som skulle kunna användas som energieffektiva beläggningar för fordon och byggnader, är baserade på tvåvärt krom, Cr ²⁺ , och är de första att använda den som en kromofor; kromoforer är de delar av en molekyl som bestämmer färg genom att reflektera vissa våglängder av ljus samtidigt som de absorberar andra.

"Till dags dato har inget jordbaserat mineral rapporterats innehålla krom i tvåvärt tillstånd som en av komponenterna", säger Subramanian, Milton Harris professor i materialvetenskap vid OSU College of Science. "Men analysen av månmineralprover som samlats in från Apollo-uppdrag visade förekomsten av krom i tvåvärt tillstånd."

Tvåvärt krom har samma antal oparade elektroner som trivalent mangan, kromoforen som är ansvarig för den intensiva färgen på YInMn-blått, som Subramanians team upptäckte för 15 år sedan. The Shepherd Color Company licensierade YInMn blue för användning i ett brett utbud av beläggningar och plaster, och det inspirerade också till en ny Crayola-kritfärg:Bluetiful.

När YInMn blue upptäcktes hade forskare experimenterat med nya material som kunde användas i elektroniktillämpningar och blandade manganoxid – som är svart till färgen – med andra kemikalier och sedan värmt upp dem i en ugn till nästan 2 400 grader Fahrenheit.

Ett av deras prover visade sig vara en briljant blå, kallad YInMn blue efter komponentelementen yttrium, indium och mangan. Det var den första upptäckten av blått pigment på två århundraden och ett enormt framsteg när det gäller säkerhet och hållbarhet samt livlighet.

I den nya studien inspirerades Subramanian, forskarassistenten Jun Li och doktoranden Anjali Verma av den tvåvärda koppar som fungerar som en kromofor i egyptisk blått, som är världens första kända syntetiska pigment och dateras till mer än 5 000 år sedan.

Forskarna ersatte den tvåvärda kopparn i egyptisk blått med tvåvärt krom, vilket ledde till hållbara, rödaktiga magentapigment. För att stabilisera det tvåvärda krom på jorden höll forskare höga temperaturer, nästan 2 500 grader Fahrenheit, under högvakuum under syntesen som startade från krommetall, kromtrioxid och andra kemikalier.

"De flesta av de magentafärgade pigmenten som används idag är organiska kemikalier och lider av stabilitetsproblem när de utsätts för ultravioletta strålar och värme från solen eftersom de kan bryta ner organiska kemiska bindningar," sa Subramanian. "Oorganiska magentapigment är sällsynta och de flesta kräver en betydande mängd koboltsalter som är farliga för både människor och miljön."

De magentafärgade pigmenten som utvecklats av OSU-forskare är termiskt och kemiskt inerta på grund av sin höga beredningstemperatur och förblir oförändrade strukturellt och optiskt vid exponering för syra och alkali, noterar författarna.

Dessutom, till skillnad från pigment som innehåller kobolt, är de krombaserade magentapigmenten starkt reflekterande av värme från solen – vilket innebär att de har en kylande egenskap som skulle leda till energibesparingar för bilar och strukturer belagda i dem.

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

Trots de senaste framstegen inom kvantmekaniska teorier och beräkningsmetoder, är det fortfarande svårt att förutsäga en kristallstruktur som kommer att producera ett intensivt oorganiskt pigment med en önskad färg, tillade han.

"Vi hade tur första gången med YInMn blue, och nu kommer vi på några grundläggande kemiska och kristallstrukturella designprinciper för att rationellt skapa nya pigment," sa han.

"Att fastställa de viktigaste strukturella ingredienserna som krävs för att göra levande färger bör möjliggöra kortare tid mellan pigmentupptäckten. Vetenskapen följer inte alltid en föreskriven väg, men vi utforskar pigment med tvåvärt krom som en kromofor i olika koordinationsmiljöer i kristallstrukturer av olika oorganiska föreningar."

Mer information: Anjali Verma et al, Cr ²⁺ i Square Planar Coordination:Hållbara och intensiva magentapigment inspirerade av Lunar Mineralogy, Kemi av material (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.4c00253

Journalinformation: Materialens kemi

Tillhandahålls av Oregon State University