Блог

May 02, 2024

Это самая светлая краска в мире

Максу Г. Леви Дебашису Чанде было трудно найти физика, умеющего рисовать. Исследователи из его нанонаучной лаборатории в Университете Центральной Флориды уже выяснили изломы в

Макс Дж. Леви

Дебаши Чанда с трудом нашел физика, умеющего рисовать. Исследователи из его нанонаучной лаборатории в Университете Центральной Флориды уже выяснили особенности высокотехнологичного оборудования, необходимого для создания революционно нового вида охлаждающей краски. Они наполнили флаконы яркими цветами. Но когда пришло время показать это, они уперлись в стену. «Мы с трудом могли нарисовать бабочку от руки, это своего рода детский рисунок», — говорит Чанда.

Они все равно это сделали. Форма и четырехцветный дизайн выглядят просто, но простота обманчива. Если вы увеличите масштаб — до невидимых размеров — эта краска почти не будет похожа на ту краску, которую вы знаете.

Цвет окружает нас в природе, и мы воссоздаем его с помощью пигментов. Вы можете думать о пигментах как о измельченных минералах, тяжелых металлах или химикатах, которые мы смешиваем с маслом и наносим на холст или автомобиль: кобальт становится синим; охристо-красный; кадмий желтый. «Но у природы совсем другой способ создания цвета, чем у нас», — говорит Чанда. Некоторые из самых ярких образов природы — те, что носят павлины, жуки и бабочки — делают свое дело без пигмента.

Эти цвета происходят из топографии. Субмикроскопические ландшафты на внешних поверхностях павлиньих перьев, панцирях жуков и крыльях бабочек преломляют свет, создавая так называемый структурный цвет. Он более стойкий и не содержит пигментов. А для ученых это ключ к созданию краски, которая не только полезнее для планеты, но и может помочь нам жить в более жарком мире.

В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Science Advances, лаборатория Чанды продемонстрировала первую в своем роде краску на основе структурного цвета. Они думают, что это самая легкая краска в мире, и они имеют это в виду как с точки зрения веса, так и с точки зрения температуры. Краска состоит из крошечных алюминиевых чешуек, усеянных еще более мелкими наночастицами алюминия. Этого материала можно было бы покрыть как спереди, так и сзади двери. Он достаточно легкий, чтобы потенциально сократить расход топлива в самолетах и ​​автомобилях, покрытых им. Он не удерживает тепло солнечного света, как это делают пигменты, а его компоненты менее токсичны, чем краски, изготовленные из тяжелых металлов, таких как кадмий и кобальт.

Анджела Уотеркаттер

Джулиан Чоккатту

Уилл Найт

Джо Рэй

Дайна Баумайстер, содиректор Центра биомимикрии Университета штата Аризона, не удивлена ​​тем, что краска имеет так много скрытых функций. «Это фантастическая демонстрация того, что возможно, когда мы переосмысливаем наши проекты, спрашивая совета у природы», — говорит она.

Несмотря на все свои недостатки, краску трудно превзойти. Люди использовали пигменты на протяжении тысячелетий, поэтому производители красок освоили приемы получения правильного вида. «Они точно знают, какую добавку добавить, чтобы изменить блеск; они могут сделать его ярче или приглушить — они все это выяснили за сотни лет», — говорит Чанда.

Новые формы красок должны выходить за рамки этого — в область физики, а не только эстетики. Тем не менее, сотрудники лаборатории Чанды случайно наткнулись на свое нововведение. Они не собирались производить краску. Они хотели создать зеркало, а именно длинное сплошное алюминиевое зеркало, построенное с использованием прибора, называемого электронно-лучевым испарителем. Но при каждой попытке они замечали маленькие «наноостровки», скопления атомов алюминия, достаточно крошечные, чтобы быть невидимыми, но достаточно большие, чтобы испортить блеск зеркала. Наноострова появились по всей поверхности того, что теперь, к сожалению, не было сплошным зеркалом. «Это было очень неприятно», — вспоминает Чанда.

Затем пришло прозрение: это нарушение принесло что-то полезное. Когда окружающий белый свет попадает на наночастицы алюминия, электроны в металле могут возбуждаться — они колеблются или резонируют. Но когда размеры достигают наномасштаба, атомы становятся более разборчивыми. В зависимости от размера наночастицы алюминия ее электроны будут колебаться только для определенных длин волн света. Это отражает окружающий свет обратно в виде части того, что было: одного цвета. Наложение частиц алюминия на отражающую поверхность (как в том зеркале, которое они пытались построить) усилило красочный эффект.