Najbardziej intrygujący wydaje się fakt, iż takie rozwiązanie może całkowicie zmienić sposób barwienia samochodów, samolotów i innych dużych konstrukcji. Sekret tkwi w nanocząsteczkach krzemu, które potrafią nadawać powierzchni intensywne kolory dzięki odpowiedniemu oddziaływaniu ze światłem.
Zacznijmy od tego, że tradycyjne lakiery zawdzięczają swoje barwy pigmentom, czyli substancjom pochłaniającym określone długości fal światła i odbijającym pozostałe. Rozwiązanie to jest skuteczne, choć ma również wady. Powłoki mogą być stosunkowo ciężkie, a niektóre barwniki z czasem tracą intensywność pod wpływem promieniowania słonecznego. Japońscy badacze postanowili podejść do problemu inaczej. Zamiast wykorzystywać chemiczne barwniki, stworzyli materiał, który generuje kolor dzięki swojej mikroskopijnej strukturze.
Nowa strategia wykorzystuje zjawisko tzw. barwy strukturalnej. Występuje ono również w przyrodzie, między innymi na piórach pawia czy skrzydłach niektórych motyli. Ich intensywne kolory nie zawsze wynikają z obecności pigmentów. Często powstają dzięki temu, w jaki sposób światło oddziałuje z mikroskopijnymi strukturami powierzchni. Zespół kierowany przez Hiroshiego Sugimoto z Uniwersytetu w Kobe wykorzystał do stworzenia nowej powłoki nanokulki krzemu. Ich średnica wynosi około jednej czwartej mikrometra, czyli mniej więcej jedną setną grubości ludzkiego włosa.
Odpowiednie rozmieszczenie takich cząsteczek pozwala kontrolować sposób odbijania światła, a w konsekwencji uzyskiwać intensywne barwy bez stosowania tradycyjnych pigmentów. Wcześniejsze rozwiązania tego typu miały jednak istotne ograniczenie: powierzchnie często nie zapewniały odpowiedniego połysku, a uzyskiwany kolor mógł zmieniać się w zależności od kąta patrzenia.
Przełomowe okazało się otoczenie nanokulek krzemu cienkimi powłokami z krzemionki. Materiał ten pełni kilka funkcji jednocześnie. Chroni cząsteczki, kontroluje odległości między nimi i ułatwia ich uporządkowane rozmieszczenie. Dzięki temu naukowcy ograniczyli niepożądane rozpraszanie światła, które wcześniej utrudniało uzyskanie gładkiego, błyszczącego wykończenia.
Efekt końcowy? Powłoka zapewniająca intensywny kolor, regulowany połysk i stabilny wygląd niezależnie od kąta obserwacji. Co szczególnie istotne, japońscy twórcy wykazali, że można ją nakładać również na skomplikowane, trójwymiarowe powierzchnie. Przetestowali także dodatkową warstwę ochronną. W przypadku wcześniejszych technologii mogła ona znacząco zmieniać właściwości optyczne materiału. Nowe rozwiązanie zachowało natomiast swój kolor bez istotnych zmian.
Jedną z najbardziej obiecujących możliwości wykorzystania jest potencjalne ograniczenie masy malowanych obiektów. Według szacunków przedstawionych przez badaczy tradycyjne powłoki lakiernicze na szerokokadłubowym samolocie pasażerskim mogą ważyć około 300 kilogramów. Zastosowanie odpowiednika opartego na barwie strukturalnej mogłoby teoretycznie ograniczyć tę wartość do zaledwie kilkuset gramów. To ogromna różnica, która w przypadku lotnictwa mogłaby przełożyć się na niższe zużycie paliwa i ograniczenie emisji związanych z eksploatacją samolotów.
Jako że krzem można pozyskiwać z przemysłu półprzewodnikowego, a krzemionka jest jednym z najpowszechniej występujących materiałów w skorupie ziemskiej, to w grę wchodzą korzyści środowiskowego. Dodatkowo brak tradycyjnych pigmentów organicznych może ograniczyć problem blaknięcia powierzchni pod wpływem światła.
Źródło: Small Structures
