Ett nytt sätt att skapa färg använder spridningen av ljus av specifika våglängder runt små, nästan perfekt runda kiselkristaller. Denna utveckling av Kobe University möjliggör icke-blekande strukturella färger som inte beror på betraktningsvinkeln och som kan skrivas ut. Materialet har låg miljö- och biologisk påverkan och kan appliceras extremt tunt, vilket lovar betydande viktförbättringar jämfört med konventionella färger.
Ett föremål har färg när ljus med en viss våglängd reflekteras. Med traditionella pigment sker detta genom att molekyler absorberar andra färger från vitt ljus, men med tiden gör denna interaktion att molekylerna bryts ned och färgen bleknar.
Strukturella färger, å andra sidan, uppstår vanligtvis när ljus reflekteras från parallella nanostrukturer som är åtskilda på precis rätt avstånd så att endast ljus av vissa våglängder kommer att överleva medan andra släcks ut, och reflekterar bara den färg vi ser.
Detta fenomen kan ses i vingar av fjärilar eller fjädrar av påfåglar, och har fördelen att färgerna inte försämras. Men ur industriell synvinkel kan prydligt arrangerade nanostrukturer inte målas eller tryckas lätt, och färgen beror på betraktningsvinkeln, vilket gör materialet iriserande.
Kobes universitets materialingenjörer Fujii Minoru och Sugimoto Hiroshi har utvecklat en helt ny metod för att producera färger.
De förklarar, "I tidigare arbete sedan 2020 var vi de första att uppnå exakt partikelstorlekskontroll och utveckla kolloidala suspensioner av sfäriska och kristallina kiselnanopartiklar. Dessa enkla kiselnanopartiklar sprider ljus i ljusa färger genom fenomenet "Mie-resonans", vilket tillåter oss att utveckla strukturella färgbläck."
Med Mie-resonans reflekterar sfäriska partiklar med en storlek som är jämförbar med ljusets våglängd specifika våglängder särskilt starkt. Det betyder att färgen som huvudsakligen kommer tillbaka från suspensionen kan kontrolleras helt enkelt genom att variera storleken på partiklarna.
I deras arbete publicerat i tidskriften ACS Applied Nano Materials , Fujii och Sugimoto visar att suspensionen kan appliceras på ytor och kommer därmed att belägga det underliggande materialet i en form av strukturell färg som inte beror på betraktningsvinkeln.
Detta beror på att färgen inte produceras av interaktionen av ljus som reflekteras från närliggande strukturer som med "traditionella" strukturella färger, utan av dess mycket effektiva spridning runt enskilda nanosfärer. Sugimoto förklarar en annan fördel, "Ett enda lager glest fördelade kiselnanopartiklar med en tjocklek på endast 100–200 nanometer visar klara färger men väger mindre än ett halvt gram per kvadratmeter. Detta gör våra kiselnanosfärer till en av de lättaste färgbeläggningarna i världen."
Kobe University-teamet använde beräkningssimuleringar för att utforska bläckets egenskaper under olika omständigheter, till exempel genom att variera storleken på partiklarna och avståndet mellan dem, och bekräftade sedan deras resultat experimentellt. De fann att, i motsats till intuitionen, var reflektansen högst när de enskilda partiklarna separerades istället för när de var tätt packade.
Författarna förklarar, "Denna höga reflektans trots liten täckning av ytan av nanosfärerna beror på den mycket stora spridningseffektiviteten. Kravet på en mycket liten mängd kiselkristaller för färgning är en fördel i applikationen som färgpigment."
Efter ytterligare utveckling och förbättringar förväntar de sig intressanta tillämpningar av sin teknologi. Sugimoto förklarar, "Vi kan applicera det på beläggning av till exempel flygplan. Pigmenten och beläggningarna på ett flygplan väger flera hundra kilo. Om vi använder vårt nanosfärbaserade bläck kan vi kanske minska vikt till mindre än 10 % av det."
Mer information: Monolager av Mie-resonant kisel nanosfärer för strukturell färgning, ACS applicerade nanomaterial (2024). DOI:10.1021/acsanm.3c04689
Tillhandahålls av Kobe University
