结构色

自然世界的充满活力的颜色以不同的方式产生:天生的分子吸收光线或发冷光的化合物。但一系列惊人的深刻和长久的颜色是通过机制本身无色。被称为结构色,它通过光的反射来自复杂纳米结构中发现鸟类的羽毛,一些植物的果实或甲虫的坚硬的外壳。这些多层结构产生彩虹色,颜色似乎变化根据视角的不同,而化学色素产生颜色,从各个角度看起来是一样的。颜料和结构都是经常一起使用来提高颜色:去年,例如,荷兰的研究人员表明,光滑的毛茛属植物的黄色是实现通过一个黄色类胡萝卜素色素和薄膜结构。¹

不同物种使用不同的材料和结构,结构色的角色可以有完全不同的功能在不同的生物体或者没有(我们目前理解)——在某些细菌一样。结构颜色已经进化到吸引传粉者和配偶提供伪装甚至危险的信号。

艾萨克·牛顿描述结构性色彩300多年前,但直到最近,化学家、材料科学家和物理学家们将注意力转向理解和再现它的挑战。

每辆车有超过3000亿颜料片像小镜子产生生动的蓝色

世界各地的实验室都在不同的技术理解和模拟光散射和反射自然材料的几何形状。他们希望做可持续颜料无毒化合物不会破坏环境,或反射涂料保持室内凉爽。涂料生产商阿克苏诺贝尔公司一直在英国伦敦自然历史博物馆和谢菲尔德大学的研究人员发现,动物和植物有生动的白色和蓝色,然后发现这些颜色背后的结构。其目的在于尝试模拟实验室和最终油漆桶。

劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员在加州,我们开始工作与商业伙伴聚合物涂层为windows反映红外能量,同时允许可见光通过。这将减少对空调的需要在温暖的气候,所以减少能源费用和与之相关的二氧化碳排放。这个想法是为了产生一个低成本的DIY涂层,具有广泛采用在美国,可以减少二氧化碳排放量240亿千克一年——相当于500万辆汽车。

灵感来自一个发现某些嵌段共聚物,形似洗瓶刷,自组装成纳米结构,反映不同频率的光。项目主管Raymond魏特坎普解释道,“聚合物大多是由日常塑料聚苯乙烯和聚乳酸等,但连锁缝合在一起,一个非常具体的安排使他们能够自组装成纳米材料与结构颜色”。自发现以来,魏特坎普和他的同事们一直在研究这些材料少今天在使用有毒染料和颜料的替代品。

蓝色:一项艰巨的任务

丰田研究实验室的科学家们在美国和日本工作了15年如何再现生动、彩虹色的蓝色大闪蝶蝴蝶的翅膀。翅膀的分层规模结构强烈反映了狭窄的波长蓝光,从远处可以看到。

丰田日本开发的结构层,但过程是昂贵的和一些专注于彩虹的颜色变化的视角,而不是我们想要的素色无论角。明迪解释说这是很难达到的,张总经理丰田的美国研究实验室。一个同事做了一些模拟表明我们的目标是可以实现的,”然后我们开始思考如何实现它。

闪蝶鳞片中使用的纳米结构被描述为像冷杉树。物理学家们用配对材料的多层格式将从各个角度反映同一波长的光。他最终选择了钛和氧化铪但有一个缺点:需要31层,使它不切实际。与我们合作颜料专家Viavi解决方案,研究人员最终设法减少色素层到七,与铝的加入提高反射率。一旦他们做了新的色素,又过了一年,以确保它可以分散在水性涂料、汽车涂料系统。需要八个月为300辆生产足够的色素;每辆车将有超过3000亿颜料片,每个像小镜子产生生动的蓝色。

虽然丰田已经研究出如何产生一个广泛的颜色,“我们仍在考虑层设计。进一步的材料可能会改变,”建议。

大自然的聚合物

自然做得更有效率。事实上,有些植物可以使固体和彩虹色的颜色从一个地球上最丰富的聚合物-纤维素。

西尔维亚Vignolini在剑桥大学化学系在英国和一直在研究植物如何利用纤维素纳米结构。她第一次在查看感兴趣的强烈的蓝色非洲植物的果实Pollia condensata或大理石浆果——几十年来保持颜色。的标本在英国皇家植物园仍然是明亮的150多年后,在肯尼亚,而叶绿素色素在植物的叶子早就消失了。

扫描电子显微镜的浆果透露纤维素纺锤,被安排在美丽的螺旋结构,扭转左和右,所以他们圆极化光在一个方向或另一个生产艺术家会描述为“点彩派画家”的效果。Vignolini和她的团队在想如果能设计一个类似的光学外观相同的聚合物。“如果我们可以使用纤维素——特别是从食物或农业废弃物——然后我们可以获得可持续和无毒颜料。但任务不简单,她补充说,和许多研究有待完成。

Vignolini的实验室一直使用一个纯纤维素的来源从棉短绒,短纤维后留在棉花种子长纤维被纺织品。纤维本身就是由纺锤的总和。与硫酸水解纤维素纤维棒状纳米晶体。悬浮在水中,他们自组装成结构像扁平的螺旋。水蒸发,纳米晶体的浓度增加,颜色出现。可以挤压使薄膜的结构与统一的颜色和添加表面活性剂使电影更少的脆性和更灵活。Vignolini集团正试图玩电影的光学外观:控制纳米晶体棒的长度和对齐影响的颜色反映了螺旋状的结构。的外观颜色使用磁场也可以改变。

如果你想外套大面积,很难与一个电影,所以我们问自然是怎么做到的?Vignolini的团队用微流体仔细控制液滴的大小创建纤维素10-50µm顺序的团簇。扩大规模,然而,他们使用了乳化分散微球的方法。

磨产生的纤维素纳米晶体片大小不一的电影意味着它可能产生粉末的应用等食用色素和颜料。水溶性涂料是很困难,然而,由于纤维素吸湿和吸引水分,所以纳米晶体损坏。Vignolini说她的团队确实有一些如何解决问题的想法。

苍白的浅影

首先我们开始工作在色彩上,然后搬到白色:白色是容易得多,”Vignolini说。现在是如何生产的问题电影一公斤规模符合成本效益的方式。面临的挑战是创建尽可能薄一层白色。类比是要用白漆覆盖的多个外套红色的墙,但你要做的只有一个漆皮。这是挑战。

有潜在的优质来源纤维素——芒果或橙皮,例如——这可能是有用的在一个较小的规模和可持续的设置。但一个主要的未开发的资源是木浆。芬兰阿尔托大学的研究人员正在寻找方法来重振这个国家的森林产品行业,作为报纸倒闭意味着对纸的需求急剧下降。纤维素不仅是一个容易理解的和可持续的材料,但有一个现成的工业基础设施。现在Vignolini正在与芬兰科学家在技术开发的白色的一个很好的强度。

她看到一系列产业的利益,从颜料制造商到化妆品、寻找替代美白剂二氧化钛。去年欧洲化学品管理局分类是一个潜在的致癌物质如果吸入。这使得化妆品公司寻求替代品和Vignolini的小组目前正在与法国欧莱雅集团作为其可持续发展议程的一部分。一个目标是替代二氧化钛使用唇膏,和潜在的其他颜料口红和染发。

•霍尔舍在德国卡尔斯鲁厄理工学院一直致力于研究潜在的替代二氧化钛,而这一次的灵感来自于几丁质鳞片白色的甲虫,Cyphochilus insulanus。

霍尔舍解释说,大多数甲虫产生极好的散射的光——nanobubbles内部评级体系。看着他们在电子显微镜下,你看到非常小的不规则或随机结构像泡沫。因为泡沫如此之小,光线分散效率。“白色的甲虫,他补充道,“与非常薄层达到令人难以置信的白度。

霍尔舍的实验室已经尝试再现光散射结构两种技术。使用超临界二氧化碳在高压溶解聚碳酸酯。²减少气体的压力意味着二氧化碳返回并形成泡沫聚合物——然后出现白色。优化各种参数可以生产50µm的电影。散射属性维护当电影磨成粉末,霍尔舍说,所以他们可能用于颜料、纸张和化妆品。

该技术的优点是,它可以大规模生产。超临界二氧化碳是广泛应用于工业,这是很便宜的,你不需要额外的材料,这对环境是一个很大的优势。原则上,其他聚合物也可以使用。

霍尔舍和Vignolini一起工作在另一个有前途的方法可能会提供更大的灵活性,因为合成电影更薄。这里的聚合物溶解在非极性溶剂(丙酮)和水。将超声波应用于解决方案在一至三小时创建更长,更薄的纤维。³丙酮迅速蒸发,留下剩下的水和polymer-rich阶段,形成了一个随机网络。水蒸发更慢,从而导致纳米孔的形成。与甲虫尺度不同,然而,毛孔表面的电影让水渗透和聚合物薄膜湿时变得透明。

越来越多的颜色

一个机会发现荷兰的港口城市鹿特丹导致的理解结构性色彩细菌的遗传基础,基因工程生物材料使用的可能性颜料甚至传感器。

荷兰研究员从小型生物技术公司Hoekmine是筛选细菌对抗生素耐药性和遇到的菌落。当我们看了殖民地在显微镜下,我们已经感觉结构不是色素,”解释Hoekmine首席执行官科林英。

我们试图构建3 d对象的琼脂

棒形黄杆菌属密集在一起,六角排列干扰光产生一个充满活力的绿色金属。他们疯狂的组织,因评论。与剑桥大学的研究人员合作,团队已经映射的基因结构颜色——第一个这样的研究。⁴细菌的颜色也被证明是非常敏感的某些营养物质,尤其是有机聚合物中发现海藻,潜在地开放在诊断中的应用。搬到Crispr基因编辑技术可能使Hoekmine创建更微妙的变体的颜色。

是否切实可行,使可伸缩的色素的细菌数量是一个悬而未决的问题。英说,这是可能的,使细菌完全脱水,离开结构。但由此产生的电影有黄金的一致性和脆性剥落,很脆弱。我们试图建立3 d对象的琼脂,看看我们能走多远,但仿生学可能会提供一个更可再生的路线,“表明英。

鉴于纺织工业的能源和水的要求,加上一些染料生产的有毒废物,英表明如果你可以取代,它将产生重大影响。

没有缺乏想法的灵感来自大自然的色彩,但现在的挑战是采取更多的人走出实验室,这样合成的颜色就像自然的可持续发展。

安吉丽梅塔是一个基于科学作家在爱丁堡,英国