Principio di produzione dei colori strutturali da doppi strati di argilla nematica (DBL). (A) Schema della struttura lamellare 2D della Na-fluoroettorite sintetica (Na-FHt). Na-FHt forma spontaneamente fasi nematiche di singoli nanosheet spessi 1 nm [singoli strati (SGL)] quando immersi nell'acqua. (B) Schemi del protocollo per la produzione di fasi nematiche di doppi strati di 2 nm di spessore (DBL). (C) Colori strutturali ottenuti da sospensioni acquose SGL a forza ionica zero. (D) Colori strutturali da sospensioni acquose DBL a forza ionica zero. Le concentrazioni di argilla sono espresse in %. (E) Principio di colorazione strutturale riflettente ottenuta da una sospensione lamellare di Bragg stack. Ogni lamella è semitrasparente, riflettendo parte della luce bianca in ingresso che poi interferisce in modo costruttivo secondo la legge di Bragg-Snell, esaltando così un unico colore che dipende sia dalla distanza dello strato che dall'angolo di osservazione (iridescenza). Uno sfondo scuro assorbe la luce bianca che viene trasmessa attraverso l'intera pila. Nello schizzo è mostrato solo il caso DBL. Credito:Progressi scientifici .
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances , Paulo H. Michels-Brito e un team di ricercatori in fisica, chimica inorganica e chimica fisica in Germania e Norvegia, hanno mostrato come una colorazione strutturale brillante e non iridescente possa essere ottenuta facilmente e rapidamente da nanofogli bidimensionali di minerale argilloso.
I colori strutturali possono provenire da soluzioni di nanosheet minerali di argilla tramite l'interferenza costruttiva della luce dopo la riflessione e la dispersione da nanostrutture con periodicità paragonabile alle lunghezze d'onda della luce visibile. Gli scienziati hanno migliorato enormemente la luminosità utilizzando nanofogli di argilla doppia per ottimizzare l'indice di rifrazione dell'argilla che altrimenti potrebbe ostacolare la colorazione strutturale di tali sistemi.
Variando la concentrazione di argilla e la forza ionica, i colori strutturali potrebbero essere regolati in modo preciso e riproducibile per ottenere prontamente la non iridescenza. Tali nanosheet con design in argilla possono essere incorporati in matrici solide riciclabili per fornire simultaneamente colori sintonizzabili e vividi, resistenza meccanica e stabilità per aprire una regione precedentemente sconosciuta per colori sostenibili.
Colorazione strutturale in natura e in laboratorio
I colori strutturali derivano da onde fotoniche che interferiscono in modo costruttivo dopo la riflessione e la dispersione da nanostrutture con distanze paragonabili alle lunghezze d'onda della luce visibile. Il meccanismo della colorazione strutturale è fondamentalmente diverso dall'assorbimento di coloranti o pigmenti. Ad esempio, con i colori strutturali il materiale potrebbe essere semitrasparente, in cui lo spettro dei colori può essere regolato regolando le nanostrutture.
Questo meccanismo può essere combinato con pigmenti scuri che assorbono la luce come notato con i principali meccanismi di colorazione biologica visti in natura; presenti su uccelli, animali marini, alcuni mammiferi, insetti e alcune piante. Il concetto di colorazione strutturale ha anche suscitato un enorme interesse nei settori industriali, inclusi i cosmetici fotonici di L'Oréal e Morphotex per rappresentare i progetti bioispirati.
Tuttavia, l'abbondanza e il tempo necessari per fabbricare il concetto sono i principali limiti per le applicazioni industriali di alto livello. La colorazione strutturale si basa sull'iridescenza, ad esempio le piume di uccelli azzurri e farfalle possono essere imitate usando particelle colloidali. In questo lavoro, Michels-Brito et al. ha ideato un metodo per produrre colori strutturali da doppi strati di argilla nematica (DBL). Il team ha scelto la sodio-fluoroettorite sintetica (Na-FHt), un minerale argilloso sintetico con una qualità superiore rispetto all'omogeneità strutturale, una distribuzione di carica stretta e un rapporto di aspetto ampio, che il team ha caratterizzato come proprietà dei materiali.
I ricercatori hanno ottimizzato il rapporto Na-FHt rispetto all'acqua e le separazioni dei nanosheet in base alla gamma di lunghezze d'onda della luce visibile, in cui le pile fotoniche di Bragg che coprono l'intero spettro dei colori possono essere prodotte rapidamente e facilmente. I monostrati sospesi davano origine a colori lisci e luminosi. Tuttavia, il team potrebbe migliorare la luminosità e la non iridescenza dei colori strutturali applicando doppi strati (DBL) di due strati singoli sospesi fissati insieme.
Come analogo biomimetico diretto di questo meccanismo, Michels-Brito et al. ha confrontato i calamari Loliginidi, per la loro capacità di sintonizzare i loro colori strutturali attraverso cambiamenti guidati dall'osmosi. La colorazione strutturale dei DBL (doppi strati) si basava su una forte repulsione elettrostatica tra i nanofogli di argilla cofacciali (simili a lego) per separarli a varie distanze semplicemente aggiungendo la giusta quantità di acqua e scegliendo la lunghezza d'onda che interferisce in modo costruttivo.
Gli scienziati hanno descritto l'interferenza costruttiva della luce bianca dai singoli nanosheet usando la legge di Bragg-Snell. Di conseguenza, il colore osservato dipendeva dalla distanza dello strato e dall'angolo di osservazione (iridescenza). Il team ha regolato la separazione dei nanosheet regolando la concentrazione di argilla nelle sospensioni in cuvette di quarzo piatte con una lunghezza del percorso di 1 mm per mostrare la possibilità di regolare rapidamente i colori strutturali aggiungendo acqua nella soluzione.
Caratterizzazione e controllo dei colori strutturali da DBL di argilla nematica. (A) Colori strutturali delle gamme R1 e R2 (la figura S6 mostra la birifrangenza). (B) RSP per la gamma R1. (C) RSP per la gamma R2. (D) RSP massimi (con barre di errore) rispetto alla % del volume e all'adattamento lineare. (E) massimi RSP (con barre di errore) rispetto alla % del volume e all'adattamento lineare. Nella fig. S7. (F) d-Spaziatura (con barre di errore) rispetto alla % di volume ottenuta dagli intervalli R1 e R2 e adattamento lineare. (G) massimi RSP rispetto alla forza ionica e ai corrispondenti colori strutturali osservati. (H) Diagramma CIE (Commission Internationale de l'Elcairage) dei colori del primo ordine. (I) Effetto rispettivamente di sfondi scuri e bianchi. Credito:Progressi scientifici .
Colori strutturali non iridescenti da DBL di argilla nematica. (A) Colori strutturali a diverse angolazioni (5° e 30°). (B) Schizzo di ordine strutturale che darebbe colori iridescenti e schizzo di possibili fattori di disordine che, in combinazione, possono spiegare il colore non iridescente osservato. Credito:Progressi scientifici .
Ottimizzazione della tecnica per applicazioni industriali
Il doppio strato presentava due diversi cambiamenti di colore strutturali, in cui l'indice di rifrazione effettivo poteva essere determinato utilizzando la dispersione dei raggi X a piccolo angolo e i dati dello spettrofotometro riflettente. Poiché le interazioni elettrostatiche governavano la separazione dei nanosheet, i colori potevano essere regolati variando la forza ionica.
Ad esempio, aumentando la forza ionica di una soluzione rossa a doppio strato, il team potrebbe spostare in blu il colore strutturale a causa della ridotta separazione dei nanofogli, a causa dell'aumento della schermatura elettrostatica. Durante lo studio, tutti i campioni sono apparsi inaspettatamente non iridescenti alla vista. Dopo un attento esame, hanno notato lievi differenze nella luminosità dei colori in base all'angolo di campo. La non iridescenza delle soluzioni di argilla nematica è il risultato di una combinazione di disordini locali relativi alla flessione e increspatura dei nanosheet e all'organizzazione turbostratica nel piano dei nanosheet.
Michels-Brito et al. ha studiato i campioni in cuvette di quarzo a spazio fisso in cui i campioni sigillati seduti "sulla scrivania" per più di quattro o cinque giorni hanno mostrato una certa iridescenza. Per i campioni preparati in soluzione salina, tali tempi di degradazione sono stati più brevi dell'ordine di due giorni a causa della sedimentazione delle soluzioni, che ha modificato i colori. La squadra ha rapidamente recuperato i colori scuotendo delicatamente le cuvette. Queste scale temporali da due a cinque giorni hanno fornito spazi sufficienti per fissare la natura non iridescente dei colori strutturali in una matrice trasparente per la successiva lavorazione industriale roll to roll per la fabbricazione di pigmenti. I film possono essere ridotti di spessore inferiore a 1 mm per formare colori in soluzioni di 200 µm di spessore.
Struttura della Na-Fluoroettorite. I siti ottaedrici arancioni (sfera rosa) contengono magnesio parzialmente sostituito da litio. Il foglio ottaedrico è inserito tra i fogli tetraedrici blu. I siti tetraedrici (sfere blu scuro) contengono silicio. Le sfere azzurre sono fluoro e le sfere rosse sono ossigeno. Le sfere verdi sono i cationi interstrati, tipicamente Na+ dalla sintesi. Credito:Progressi scientifici .
Prospettiva
In questo modo Paulo H. Michels-Brito et al. ha presentato un sistema che tiene conto della sostenibilità e dell'abbondanza di minerali argillosi per applicazioni potenziate in varie aree che vanno dai pigmenti nei cosmetici all'assistenza sanitaria, oltre a finestre e piastrelle. I risultati di questo studio sull'argilla sintetica possono essere trasferiti alle argille naturali, dove la vermiculite si presenta come il candidato più adatto per elevare il concetto.
Il team prevede di includere nanofogli di argilla esfoliata in piccole quantità in matrici polimeriche, inclusi biopolimeri biodegradabili e matrici di idrogel per il miglioramento strutturale per ottimizzare la resistenza meccanica e la stabilità dei compositi risultanti. I risultati hanno un forte impatto nei cosmetici e nelle applicazioni per la cura della persona per formare formule più sostenibili e riciclabili, per raggiungere anche gli obiettivi di un'economia circolare. + Esplora ulteriormente
© 2022 Rete Science X
