Heldere, niet-iriserende structurele kleuren van kleimineraal nanosheets

Principe van productie van structurele kleuren uit nematische kleidubbellagen (DBL’s). (A) Schematische voorstelling van de 2D lamellaire structuur van synthetisch Na-fluorohectorite (Na-FHt). Na-FHt vormt spontaan nematische fasen van enkele nanoplaten van 1 nm dik [single layers (SGLs)] wanneer ondergedompeld in water. (B) Schema’s van het protocol voor de productie van nematische fasen van dubbele 2-nm-dikke lagen (DBL’s). (C) Structurele kleuren verkregen uit SGL waterige suspensies bij nul ionsterkte. (D) structurele kleuren van DBL waterige suspensies bij nul ionsterkte. De kleiconcentraties zijn weergegeven in volume%. (E) Principe van reflecterende structurele kleuring verkregen uit een lamellaire Bragg-stapelsuspensie. Elke lamel is semi-transparant en reflecteert een deel van het binnenkomende witte licht dat vervolgens constructief interfereert volgens de wet van Bragg-Snell, waardoor een enkele kleur wordt versterkt die zowel afhankelijk is van de laagafstand als de waarnemingshoek (irisescentie). Een donkere achtergrond absorbeert het witte licht dat door de hele stapel wordt doorgelaten. Op de schets is alleen de DBL-kast te zien. Credit: wetenschappelijke vooruitgang.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang, Paulo H. Michels-Brito, en een team van onderzoekers in de natuurkunde, anorganische chemie en fysische chemie in Duitsland en Noorwegen, toonden aan hoe heldere niet-iriserende structurele kleuring gemakkelijk en snel kan worden bereikt met tweedimensionale nanoplaten van kleimineraal.

Structurele kleuren kunnen afkomstig zijn van kleimineraal nanosheetoplossingen via constructieve interferentie van licht na reflectie en verstrooiing van nanostructuren met een periodiciteit vergelijkbaar met golflengten van zichtbaar licht. De wetenschappers verbeterden de helderheid enorm door dubbele klei nanosheets te gebruiken om de klei te optimaliseren brekingsindex die anders structurele kleuring van dergelijke systemen kunnen belemmeren.

Door de kleiconcentratie en ionsterkte te variëren, konden de structurele kleuren nauwkeurig en reproduceerbaar worden gereguleerd om gemakkelijk niet-iriserende kleuren te verkrijgen. Dergelijke nanosheets met kleiontwerp kunnen worden ingebed in recyclebare vaste matrices om tegelijkertijd afstembare, levendige kleuren, mechanische sterkte en stabiliteit te bieden om een ​​voorheen onbekend gebied te openen voor duurzame kleuren.

Structurele kleuring in de natuur en in het lab

Structurele kleuren zijn het resultaat van fotonische golven die constructief interfereren na reflectie en verstrooiing van nanostructuren met afstanden die vergelijkbaar zijn met golflengten van zichtbaar licht. Het mechanisme van structurele kleuring verschilt fundamenteel van de absorptie van kleurstoffen of pigmenten. Bij structurele kleuren zou het materiaal bijvoorbeeld semi-transparant kunnen zijn, waarbij het kleurenspectrum kan worden afgestemd door de nanostructuren aan te passen.

Dit mechanisme kan worden gecombineerd met lichtabsorberende donkere pigmenten, zoals opgemerkt met belangrijke biologische kleuringsmechanismen gezien in de natuur; voorkomen op vogels, zeedieren, sommige zoogdieren, insecten en bepaalde planten. Het concept van structurele kleuring heeft ook geleid tot enorme belangstelling in de industriële sectoren, waaronder: Fotonische cosmetica van L’Oréal en Morphotex te representeren bio-geïnspireerde ontwerpen.

De overvloed en de tijd die nodig is om het concept te fabriceren, zijn echter belangrijke beperkingen voor hoogwaardige industriële toepassingen. Structurele kleuring is afhankelijk van irisatie, bijvoorbeeld de veren van bluebirds en vlinders kunnen zijn nagebootst met behulp van colloïdale deeltjes. In dit werk, Michels-Brito et al. bedacht een methode om structuurkleuren te produceren uit nematische kleidubbellagen (DBL’s). Het team koos voor synthetisch natrium-fluorohectorite (Na-FHt) – een synthetisch kleimineraal met superieure kwaliteit in verhouding tot structurele homogeniteit, smalle ladingsverdeling en een grote aspectverhouding, die het team karakteriseerde als materiaaleigenschappen.

de experimenten

De onderzoekers stemden de Na-FHt-tot-waterverhouding en nanosheetscheidingen af ​​op basis van het golflengtebereik van zichtbaar licht, waarbij de fotonische Bragg-stacks die het hele kleurenspectrum bestrijkt, kan snel en gemakkelijk worden geproduceerd. De zwevende enkele lagen gaven aanleiding tot vloeiende en heldere kleuren. Het team zou echter de helderheid en non-iridescentie van de structurele kleuren kunnen verbeteren door dubbele lagen (DBL’s) toe te passen van twee zwevende enkele lagen die aan elkaar zijn vastgemaakt.

Als een directe biomimetische analoog aan dit mechanisme, Michels-Brito et al. vergeleek de Loliginide inktvissen, vanwege hun vermogen om hun structurele kleuren af ​​te stemmen via osmotisch gestuurde veranderingen. Structurele kleuring van de DBL’s (dubbele lagen) was gebaseerd op sterke elektrostatische afstoting tussen cofaciale (lego-achtige) klei-nanobladen om ze op verschillende afstanden te scheiden door simpelweg de juiste hoeveelheid water toe te voegen en de golflengte te kiezen die constructief interfereert.

De wetenschappers beschreven de constructieve interferentie van wit licht van individuele nanosheets met behulp van de Wet van Bragg-Snell. Dienovereenkomstig was de waargenomen kleur afhankelijk van de laagafstand en de waarnemingshoek (irisescentie). Het team regelde de scheiding van nanobladen door de kleiconcentratie in suspensies in platte kwartscuvetten met een padlengte van 1 mm af te stemmen om de mogelijkheid aan te tonen om structurele kleuren snel af te stemmen door water aan de oplossing toe te voegen.

Optimalisatie van de techniek voor industriële toepassingen

De dubbellaags vertoonde twee verschillende structurele kleurveranderingen, waarbij de effectieve brekingsindex kon worden bepaald met behulp van kleine hoek röntgenverstrooiing en reflecterende spectrofotometer gegevens. Omdat elektrostatische interacties de scheiding van nanobladen regelden, konden de kleuren worden afgestemd door de ionsterkte te variëren.

Door bijvoorbeeld de ionsterkte van een rode dubbellaagse oplossing te vergroten, zou het team de structurele kleur blauw kunnen verschuiven als gevolg van verminderde scheiding van nanobladen, als gevolg van toenemende elektrostatische screening. Tijdens het onderzoek leken alle monsters onverwacht niet-iriserend voor het oog. Na nauwkeurige inspectie merkten ze kleine verschillen in de helderheid van de kleuren op basis van de kijkhoek. De non-iridescentie van de nematische kleioplossingen was het gevolg van een combinatie van lokale aandoeningen ten opzichte van nanosheet buigen en kreuken, en turbostratische organisatie in het vlak van nanosheets.

Michels-Brito et al. bestudeerde de monsters in kwartscuvetten met een vaste ruimte, waar verzegelde monsters die meer dan vier tot vijf dagen ‘op het bureau’ zaten, enige irisatie vertoonden. Voor monsters die in zoutoplossing waren bereid, waren dergelijke afbraaktijden korter in de orde van twee dagen als gevolg van sedimentatie van de oplossingen, waardoor de kleuren werden gewijzigd. Het team herstelde snel de kleuren door de cuvetten voorzichtig te schudden. Deze tijdschema’s van twee tot vijf dagen boden voldoende hiaten om de niet-iriserende aard van structurele kleuren in een transparante matrix te fixeren voor daaropvolgende industriële rol-tot-rolverwerking voor pigmentfabricage. De films kunnen worden verkleind tot minder dan 1 mm om kleuren te vormen in oplossingen met een dikte van 200 µm.

Na-Fluorohectorite structuur. De oranje octaëdrische plaatsen (roze bol) bevatten magnesium gedeeltelijk vervangen door lithium. De octaëdrische plaat is ingeklemd tussen de blauwe tetraëdrische platen. De tetraëdrische plaatsen (donkerblauwe bollen) bevatten silicium. De lichtblauwe bollen zijn fluor en de rode bollen zijn zuurstof. De groene bollen zijn de tussenlaagkationen, typisch Na+ uit de synthese. Credit: wetenschappelijke vooruitgang.

Outlook

Op deze manier Paulo H. Michels-Brito et al. presenteerde een systeem dat rekening hield met de duurzaamheid en overvloed aan kleimineralen voor opgeschaalde toepassingen in verschillende gebieden, variërend van pigmenten in cosmetica tot gezondheidszorg, evenals ramen en tegels. De uitkomsten van dit onderzoek naar synthetische klei kunnen worden overgedragen naar natuurlijke kleien, waarbij: vermiculiet presenteert zich als de meest geschikte kandidaat om het concept op te schalen.

Het team voorziet het opnemen van geëxfolieerde klei-nanobladen in kleine hoeveelheden tot polymeermatrices, inclusief biologisch afbreekbare biopolymeren en hydrogelmatrices voor structurele verbetering om de mechanische sterkte en stabiliteit van de resulterende composieten. De resultaten hebben een grote impact in cosmetica en persoonlijke verzorgingstoepassingen om duurzamere en recycleerbare formules te vormen, om ook de doelen van een circulaire economie te bereiken.