Structurele absorptie voor kleurgeneratie. (A) Veel chemische stoffen produceren kleur door selectief frequenties te absorberen die overeenkomen met hun moleculaire elektronische overgangen. Roze kleur in Formosa azalea’s is te wijten aan de absorptie van cyanidemoleculen. (B) Een voorbeeld van structurele kleuring is te vinden in de Peruaanse Morpho didius. Lamella-nanostructuren die in zijn vleugels worden aangetroffen, verstrooien de blauwe componenten van invallend licht en genereren het karakteristieke metaalblauw. (C) Een subgolflengte plasmonische holte gevormd door een zelfassemblage van metalen nano-eilanden bovenop een met oxide gecoate spiegel genereert kleur door selectief bepaalde golflengten te absorberen en andere sterk terug te reflecteren. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf7207
Onderzoeker Debashis Chanda van de University of Central Florida, een professor in het NanoScience Technology Center van UCF, heeft zich laten inspireren door vlinders om het eerste milieuvriendelijke, grootschalige en veelkleurige alternatief voor op pigment gebaseerde kleurstoffen te creëren, die kunnen bijdragen aan energiebesparende inspanningen en helpen de opwarming van de aarde verminderen.
De ontwikkeling is vandaag gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang als uitgelicht artikel.
“Het scala aan kleuren en tinten in de natuurlijke wereld is verbazingwekkend – van kleurrijke bloemen, vogels en vlinders tot onderwaterwezens zoals vissen en koppotigen”, zegt Chanda. “Structurele kleur dient als het primaire kleurgenererende mechanisme in verschillende extreem levendige soorten waar geometrische rangschikking van typisch twee kleurloze materialen alle kleuren produceert. Aan de andere kant, met door de mens gemaakt pigment, zijn nieuwe moleculen nodig voor elke aanwezige kleur.”
Op basis van dergelijke bio-inspiraties innoveerde Chanda’s onderzoeksgroep een plasmonische verf, die gebruik maakt van structurele rangschikking op nanoschaal van kleurloze materialen – aluminium en aluminiumoxide – in plaats van pigmenten om kleuren te creëren.
Terwijl pigmentkleurstoffen de lichtabsorptie regelen op basis van de elektronische eigenschap van het pigmentmateriaal en daarom heeft elke kleur een nieuw molecuul nodig, regelen structurele kleurstoffen de manier waarop licht wordt gereflecteerd, verstrooid of geabsorbeerd, puur op basis van de geometrische rangschikking van nanostructuren.
Dergelijke structurele kleuren zijn milieuvriendelijk omdat ze alleen metalen en oxiden gebruiken, in tegenstelling tot de huidige op pigment gebaseerde kleuren die kunstmatig gesynthetiseerde moleculen gebruiken.
De onderzoekers hebben hun structurele kleurvlokken gecombineerd met een commercieel bindmiddel om duurzame verven in alle kleuren te vormen.
“Normale kleur vervaagt omdat pigment zijn vermogen verliest om fotonen te absorberen”, zegt Chanda. “Hier worden we niet beperkt door dat fenomeen. Als we eenmaal iets met structurele kleur hebben geverfd, zou het eeuwenlang moeten blijven.”
Bovendien, omdat plasmonische verf het hele infraroodspectrum reflecteert, wordt er minder warmte geabsorbeerd door de verf, waardoor het onderliggende oppervlak 25 tot 30 graden Fahrenheit koeler blijft dan wanneer het bedekt zou zijn met standaard commerciële verf, zegt de onderzoeker.
“Meer dan 10% van de totale elektriciteit in de VS gaat naar het gebruik van airconditioning”, zegt Chanda. “Het temperatuurverschil dat plasmonic paint belooft, zou leiden tot aanzienlijke energiebesparingen. Minder elektriciteit gebruiken voor koeling zou ook de uitstoot van koolstofdioxide verminderen, waardoor de opwarming van de aarde afneemt.”
Plasmonische verf is ook extreem licht van gewicht, zegt de onderzoeker.
Dit komt door de grote oppervlakte-tot-dikteverhouding van de verf, met volledige kleuring die wordt bereikt bij een verfdikte van slechts 150 nanometer, waardoor het de lichtste verf ter wereld is, zegt Chanda.
De verf is zo licht dat slechts ongeveer 3 pond plasmonische verf een Boeing 747 kan bedekken, waarvoor normaal gesproken meer dan 1.000 pond conventionele verf nodig is, zegt hij.
Chanda zegt dat zijn interesse in structurele kleuren voortkomt uit de levendigheid van vlinders.
“Als kind wilde ik altijd al een vlinder bouwen”, zegt hij. “Kleur trekt mijn interesse.”
Toekomstig onderzoek
Chanda zegt dat de volgende stappen van het project verdere verkenning van de energiebesparende aspecten van de verf omvatten om de levensvatbaarheid ervan als commerciële verf te verbeteren.
“De conventionele pigmentverf wordt gemaakt in grote faciliteiten waar ze honderden liters verf kunnen maken”, zegt hij. “Op dit moment is het nog steeds duur om in een academisch lab te produceren, tenzij we het opschalingsproces doorlopen.”
“We moeten iets anders brengen, zoals niet-giftigheid, verkoelend effect, ultralicht gewicht, dat andere conventionele verven niet kunnen”, zegt Chanda.
Meer informatie:
Pablo Cencillo-Abad et al, Ultralichte plasmonische structurele kleurverf, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf7207
Tijdschrift informatie:
Wetenschappelijke vooruitgang
Aangeboden door de Universiteit van Centraal-Florida
