В отличие от цвета, о котором мы обычно думаем, который возникает из-за того, что краски и красители поглощают определенные длины волн света и отражают остальную часть, структурный цвет создается, когда сама наноструктура объекта усиливает определенную длину волны. Клетки в перьях котинга имеют серию крошечных пор, расположенных точно так, что синий цвет (и ничего больше) отражается обратно в наши глаза. Из-за этого, если бы перья были тщательно измельчены, образование пор и, следовательно, цвет были бы потеряны. Это также означает, что тот же цвет можно было бы получить из совершенно другого материала, если бы можно было воссоздать тот же узор, созданный порами перьев.
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук под руководством Винотана Н. Манохарана хотят воссоздать этот эффект, придавая искусственным материалам структурный цвет. Однако получить структурный цвет непросто; часто требуется, чтобы молекулы материала имели очень специфический кристаллический узор, например естественную структуру опала, которая отражает широкий спектр цветов.
Но поры на перьях котинга не имеют регулярного порядка и поэтому являются главной целью для имитации.Лаборатория Манохарана разработала систему, в которой микрокапсулы заполняются неупорядоченным раствором даже более мелких частиц, взвешенных в воде. Когда микрокапсула частично высыхает, она сжимается, сближая частицы.
В конце концов, среднее расстояние между всеми частицами даст определенный цвет, отраженный от капсулы. Уменьшите капсулу еще немного, и они станут другого цвета, а затем другого.
«Между частицами существует среднее расстояние, хотя в частицах нет упорядочения. Это среднее расстояние важно для определения цвета», — говорит Манохаран, профессор химической инженерии Гордона Маккея и профессор физики в Гарварде.Результаты были опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Текущий проект расширяет исследования, проведенные в Йельском университете в 2009 году, которые были направлены на имитацию оттенка котинга и показали, что высушенные агрегаты твердых частиц могут создавать синий цвет. Джин-Гю Пак работал там постдокторантом, а сейчас работает научным сотрудником в группе Манохарана в Гарвардском SEAS, которая специализируется на физике коллоидных суспензий. С Парком в качестве ведущего автора новая статья демонстрирует получение цветов по всему спектру и новую систему инкапсуляции.
По словам Манохарана, настраиваемые цветовые капсулы открывают интересные технологические возможности. Например, целый спектр новых красок может быть создан с использованием суспендированных капсул.
«Прямо сейчас красный краситель кармин происходит от насекомого, называемого кошенилью», — говорит Манохаран. «Люди хотели бы отойти от этого, потому что это очень трудоемко, а для получения такого цвета нужно собрать много насекомых».Вместо того, чтобы собирать урожай на природе или готовить специальные химические вещества, по одной для каждого цвета, эти капсулы могут обеспечить универсальный и прямой путь к любому желаемому цвету.Капсулы также могут иметь преимущество в безопасности. Причина использования натуральных красителей, таких как кармин, заключается в том, что многие синтетические красители токсичны.
Новые цветные капсулы могут быть изготовлены из частиц практически любого материала с правильной структурой, поэтому токсичности можно легко избежать.Однако наиболее убедительным является то, что некоторые структурные цвета, встречающиеся в природе, могут сохраняться бесконечно долго, пока цветной объект остается нетронутым.«Большая часть цвета, который вы получаете в красках, покрытиях или даже косметике, возникает из-за избирательного поглощения и отражения света.
Это означает, что материал поглощает некоторую энергию, а это означает, что со временем материал выцветет», — говорит Манохаран.Энергия солнца разрушает молекулы обычных пигментов. В конце концов, молекулы просто разрушаются и больше не поглощают цвета, к которым они привыкли, что приводит к обесцвечиванию на солнце.
Группа Манохарана в настоящее время тестирует свою инновацию, чтобы увидеть, сможет ли она создать эффективный нестареющий цвет.Электронные дисплеи — например, электронные книги — также могут извлечь выгоду из этого прогресса. Микрокапсулы могут использоваться в дисплеях, которые создают пиксели с цветными частицами, а не светодиоды, жидкие кристаллы или черно-белые «электронные чернила».
«Мы думаем, что можно создать полноцветный дисплей, который не будет выцветать со временем», — говорит Манохаран. «Мечта состоит в том, чтобы у вас был кусок гибкого пластика, на который можно было бы наносить полноцветную графику и читать при ярком солнечном свете».Гарвардское управление технологического развития подало предварительный патент и работает с лабораторией Манохарана над коммерциализацией технологии цветных капсул.Соавторами Манохарана и Пака были доктор философии София Магкириаду. студент факультета физики Гарвардской высшей школы искусств и наук; Шин-Хюн Ким и Тэ Мин Чой из Корейского передового института науки и технологий; и Ён-Сеок Ким из Корейского института электронных технологий.Это исследование было поддержано грантом международного сотрудничества Министерства торговли и промышленности.
Energy of Korea, а также Гарвардским центром материаловедения и инженерии через Национальный научный фонд США (NSF). Работа была частично выполнена в Центре наномасштабных систем при поддержке NSF при Гарвардском университете.