Blue pigment discoverer gør nøgledesignfremskridt for fremtidig holdbar, levende pigmenter

En kemiforsker fra Oregon State University, der skrev historie for ti år siden med den utilsigtede opdagelse af det første nye blå uorganiske pigment i mere end to århundreder, skubber igen farvevidenskaben frem.

Analyse af krystalstrukturen af ​​pigmenter baseret på hibonit, et mineral fundet i meteoritter, Mas Subramanian fra OSU College of Science har banet vejen mod at designe flere pigmenter, der er stabile, holdbar og giftfri med levende nuancer.

Resultater fra undersøgelsen, støttet af National Science Foundation, blev offentliggjort i tidsskriftet American Chemical Society, ACS Omega .

Subramanian og hans team opdagede YInMn blue i 2009, da de eksperimenterede med nye materialer, der kunne bruges i elektronikapplikationer.

"Vi var heldige første gang med YInMn blue, og nu har vi fundet nogle designprincipper, " sagde Subramanian.

Gennem meget af den registrerede menneskelige historie, mennesker rundt om i verden har søgt efter uorganiske forbindelser, der kunne bruges til at male ting blå, ofte med begrænset succes. De fleste havde problemer med miljøet eller holdbarheden.

"De fleste pigmenter opdages ved et tilfælde, " sagde Subramanian. "Årsagen er, fordi oprindelsen af ​​farven på et materiale ikke kun afhænger af den kemiske sammensætning, men også på det indviklede arrangement af atomer i krystalstrukturen. Så nogen skal lave materialet først, derefter studere dens krystal struktur grundigt for at forklare farven."

Før YInMn blå, den sidste blå opdagelse var kobolt-aluminiumoxid-baseret blå, syntetiseret af en fransk kemiker i 1802. Koboltblåt forbliver et dominerende kommercielt pigment på grund af dets farveintensitet, let syntese og bred anvendelighed.

Dens produktion, imidlertid, kræver en betydelig mængde af en koboltion, Co ²⁺ , det er farligt for både mennesker og miljøet.

Ved at analysere strukturen af ​​hibonit-baserede blå pigmenter, Subramanian har udviklet en måde at matche eller overgå koboltblåts livlighed, mens man bruger meget mindre af den skadelige kræftfremkaldende koboltion, eller erstatte det helt.

De hibonit-baserede pigmenter er mere termisk stabile end koboltblåt på grund af deres højere fremstillingstemperatur og forbliver uændrede strukturelt og optisk ved udsættelse for stærk syre og alkali.

Forskerne rapporterer, at et oxid, der indeholder calcium, aluminium, titanium sammen med kobolt eller nikkel kan krystallisere til en struktur svarende til hibonit, der giver mulighed for en række blå farver.

Sammenlignet med traditionel koboltblå, den nye blå kan "tunes" ved at justere hvor meget kobolt (Co ²⁺ ), nikkel (Ni ²⁺ ) og titanium (Ti ⁴⁺ ) placeres i hibonitstrukturens tre mulige "kromofore" miljøer; det er de dele af et molekyle, der bestemmer farven ved at reflektere nogle bølgelængder af lys, mens de absorberer andre.

Denne undersøgelse viser, at tilstedeværelsen af ​​kromoforer i et "trigonalt bipyramidal-formet krystalmiljø" - i det væsentlige bestående af to trekantede pyramider forbundet base-til-base - er afgørende for farveforbedring.

"Denne del af krystalstrukturen af ​​hibonit, som YInMn blå, giver mulighed for levende blå farver med en rødlig nuance, " sagde Subramanian. "Den hibonitblå udviser bedre energibesparelse, varmereflekterende egenskaber end traditionel koboltblå på grund af tilstedeværelsen af ​​titanium og mindre koboltindhold.

"I naturen, Hibonit findes kun i meteoritter, der har været udsat for tusindvis af graders temperatur, når de går gennem jordens atmosfære, så det giver mening, at strukturen er bemærkelsesværdig stabil, " tilføjede han. "Denne slags mineralske strukturer er sandsynligvis fremtiden for at designe holdbare og sikre uorganiske pigmenter."

Bestemmelse af de vigtigste strukturelle ingredienser, der kræves til at lave levende farver, bør give mulighed for kortere tid mellem pigmentopdagelser, Subramanian sagde, tilføjer, at videnskaben ikke altid følger en foreskreven vej.

"Forskning er ligesom når man tager på en rejse for at se noget, og måske når du kommer dertil, var det ikke så interessant, som du troede det ville være, men det, du så undervejs, var mere interessant, end du kunne have forestillet dig."