Att göra din egen keramik kan vara ett sätt att uttrycka din kreativitet, men vissa tekniker och material som används i processen kan vara dåliga nyheter för din hälsa och miljön. Om den inte är ordentligt förberedd, en del glaserad keramik kan läcka ut potentiellt skadliga tungmetaller. Forskare rapporterar nu framsteg mot en ny typ av glasyr som inkluderar guld- och silvernanopartiklar, som är mindre giftiga och mer miljövänliga än för närvarande använda formuleringar, samtidigt som den ger livfulla färger.

Forskarna presenterar sina resultat genom onlineplattformen American Chemical Society (ACS) SciMeetings.

Glasyrer gör keramik glänsande och vattentät, och de lägger också till färg, som avslöjas genom att lerföremålet eldas i en ugn. Dessa material har varit kända för att innehålla potentiellt skadliga ingredienser, även om många tillverkare nu har tagit bort dem. "Men än idag, du kan fortfarande hitta keramiska glasyrer på marknaden som innehåller skadliga tungmetaller, säger Ryan Coppage, Ph.D., projektets huvudutredare. "Att uppnå de ljusaste färgerna har traditionellt sett krävt att man använder större mängder tungmetaller, som barium och kadmium, som kan läcka ut från ytan och är giftiga vid sådana nivåer. "

För att utveckla en säkrare glasyr av önskad färg, forskarna vände sig till små nanopartiklar av guld och silver. Även om dessa metaller tekniskt anses vara "tunga, " de anses vara godartade i små mängder. Faktum är att de används ofta i medicinska tillämpningar, såsom vid injektioner för reumatoid artrit och som ingredienser i antimikrobiella preparat. Guld och silver har en mycket igenkännbar gul eller vit metallisk glans när de ses på makroskalan, men när den sänks ner till nanoskalanivån – det vill säga, mellan 1 och 100 nanometer per partikel - de kan ta helt olika nyanser. Deras färg ändras, beroende på storleken på partikeln; nanoskala guldpartiklar kan producera djupa röda och blå, och små silver kan se röda eller till och med ljusgröna ut.

Som det visar sig, guld- och silvernanopartiklar har använts i konstverk i århundraden, utan att hantverkare ens vet det. "Nanopartiklar som användes i historiska verk var tillfälliga snarare än avsiktliga, " säger Nathan Dinh, som arbetade i laget. Han och Coppage är vid University of Richmond. Under medeltiden, hantverkare skulle mala ner guld och silver till ett mycket fint pulver eller använda guld- eller silversalter i sina hantverk, som färgglada glasmålningar och kalkar. "I modern tid, ingen har verkligen lagt guld- och silvernanopartiklarna i glasyrer från grunden, så att de kan avfyras i samma ugnar som konstnärer använder idag, " säger Dinh. "Det är vad vi försöker göra med vårt arbete. Vårt mål är att implementera historiska tekniker med modern teknik och know-how."

För att uppnå optimal keramikglasyr, forskarna började med en enkel glasyrbas och blandade den med olika kombinationer och storlekar av guld- och silversalter och nanopartiklar. Därifrån, de applicerade dessa testglasyrer på lerföremål och brände dem i en traditionell keramikugn som användes av lokala konstnärer. Genom mikroskopisk undersökning, forskarna fann att bränningsprocessen ändrar formen och storleken på nanopartiklarna, vilket i sin tur påverkar den slutliga färgen. De resulterande nyanserna berodde på metallernas källa, samt de använda koncentrationerna. Och genom att kombinera båda metallerna till samma glasyr, Dinh och Coppage kan producera ett brett spektrum av färger med samma utrustning som hobbykeramiker.

Eftersom endast en liten bråkdel av ädelmetall krävs för denna nya glasyr, det är både kostnadseffektivt och miljövänligt. Faktiskt, forskarna uppskattar att glasering av en enda kopp bara skulle kosta mellan 30 och 40 cent. Och eftersom dessa nanopartiklar är mycket effektivare på att producera färger än andra metaller, forskarna behövde bara lägga till en mycket liten mängd guld eller silver, cirka 0,01 viktprocent. Det är i motsats till konventionella glasyrer som innehåller tungmetaller; dessa glasyrer innehåller ofta 5-15 viktprocent tungmetaller – med manganglasyrer som innehåller upp till 50 % för metallglans.

Nästa, Coppage och team planerar att ytterligare utforska exakt hur avfyrningsprocessen förändrar guld- och silvernanopartiklar, vilket kommer att hjälpa dem att finjustera de resulterande färgerna. Sedan, de planerar att införliva andra metallnanopartiklar i glasyrer, vilket kan leda till ett bredare utbud av färger för konstsamhället att dra nytta av.