Un nuovo modo di creare il colore utilizza la diffusione della luce di specifiche lunghezze d'onda attorno a minuscoli cristalli di silicio quasi perfettamente rotondi. Questo sviluppo dell'Università di Kobe consente colori strutturali che non sbiadiscono, non dipendono dall'angolo di visione e possono essere stampati. Il materiale ha un basso impatto ambientale e biologico e può essere applicato in uno strato estremamente sottile, promettendo miglioramenti significativi del peso rispetto alle vernici convenzionali.
Un oggetto assume colore quando viene riflessa la luce di una specifica lunghezza d'onda. Con i pigmenti tradizionali, ciò avviene perché le molecole assorbono altri colori dalla luce bianca, ma col tempo questa interazione fa degradare le molecole e il colore sbiadisce.
I colori strutturali, d'altra parte, di solito si formano quando la luce viene riflessa da nanostrutture parallele poste alla giusta distanza in modo che solo la luce di determinate lunghezze d'onda sopravviva mentre altre vengono cancellate, riflettendo solo il colore che vediamo.
Questo fenomeno può essere osservato nelle ali delle farfalle o nelle piume dei pavoni, e ha il vantaggio che i colori non si degradano. Ma da un punto di vista industriale, le nanostrutture disposte in modo ordinato non possono essere verniciate o stampate facilmente e il colore dipende dall'angolo di visione, rendendo il materiale iridescente.
Fujii Minoru e Sugimoto Hiroshi, ingegneri dei materiali dell'Università di Kobe, hanno sviluppato un approccio completamente nuovo alla produzione dei colori.
Spiegano:"In lavori precedenti a partire dal 2020, siamo stati i primi a ottenere un controllo preciso della dimensione delle particelle e a sviluppare sospensioni colloidali di nanoparticelle di silicio sferiche e cristalline. Queste singole nanoparticelle di silicio diffondono la luce in colori vivaci mediante il fenomeno della "risonanza Mie", che ci permette di sviluppare inchiostri a colori strutturali."
Nella risonanza Mie le particelle sferiche di dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda della luce riflettono determinate lunghezze d'onda in modo particolarmente forte. Ciò significa che il colore che ritorna principalmente dalla sospensione può essere controllato semplicemente variando la dimensione delle particelle.
Nel loro lavoro pubblicato sulla rivista ACS Applied Nano Materials , Fujii e Sugimoto dimostrano che la sospensione può essere applicata alle superfici e quindi ricoprirà il materiale sottostante con una forma di colore strutturale che non dipende dall'angolo di visione.
Questo perché il colore non è prodotto dall'interazione della luce riflessa dalle strutture vicine come nei colori strutturali "tradizionali", ma dalla sua diffusione altamente efficiente attorno alle singole nanosfere. Sugimoto spiega un altro vantaggio:"Un singolo strato di nanoparticelle di silicio scarsamente distribuite con uno spessore di soli 100-200 nanometri mostra colori brillanti ma pesa meno di mezzo grammo per metro quadrato. Ciò rende le nostre nanosfere di silicio uno dei rivestimenti colorati più chiari al mondo. mondo."
Il team dell’Università di Kobe ha utilizzato simulazioni computazionali per esplorare le proprietà dell’inchiostro in diverse circostanze, ad esempio variando la dimensione delle particelle e la distanza tra loro, e ha poi confermato i risultati sperimentalmente. Hanno scoperto che, contrariamente all'intuizione, la riflettanza era massima quando le singole particelle erano separate invece che quando erano fitte.
Gli autori spiegano:"Questa elevata riflettanza nonostante la piccola copertura della superficie da parte delle nanosfere è dovuta all'elevatissima efficienza di diffusione. Il requisito di una quantità molto piccola di cristalli di silicio per la colorazione è un vantaggio nell'applicazione come pigmento colorato."
Dopo ulteriori sviluppi e perfezionamenti, si aspettano interessanti applicazioni della loro tecnologia. Sugimoto spiega:"Possiamo applicarlo, ad esempio, al rivestimento degli aeroplani. I pigmenti e i rivestimenti su un aereo hanno un peso di diverse centinaia di chilogrammi. Se usiamo il nostro inchiostro a base di nanosfere, potremmo essere in grado di ridurre il peso a meno del 10% di quello."
Ulteriori informazioni: Monostrato di nanosfere di silicio risonanti Mie per la colorazione strutturale, nanomateriali applicati ACS (2024). DOI:10.1021/acsanm.3c04689
Fornito dall'Università di Kobe
