Forskere fremmer pigmentkemi med måneinspireret rødlig magenta

En forsker fra Oregon State University, der skrev farvehistorie i 2009 med et levende blåt pigment, har udviklet holdbare, rødlige magentaer inspireret af månens mineralogi og gammel egyptisk kemi.

Mas Subramanian, anerkendt professor i kemi, og samarbejdspartnere ved OSU rapporterer resultaterne af undersøgelsen i tidsskriftet Chemistry of Materials .

De nye pigmenter, der kunne bruges som energieffektive belægninger til køretøjer og bygninger, er baseret på divalent chrom, Cr ²⁺ , og er de første til at bruge det som en kromofor; kromoforer er de dele af et molekyle, der bestemmer farve ved at reflektere nogle bølgelængder af lys, mens de absorberer andre.

"Til dato er der ikke rapporteret noget jordbaseret mineral om at indeholde chrom i den divalente tilstand som en af ​​komponenterne," sagde Subramanian, Milton Harris professor i materialevidenskab ved OSU College of Science. "Men analysen af ​​månemineralprøver indsamlet fra Apollo-missioner viste forekomsten af ​​chrom i den divalente tilstand."

Divalent chrom har det samme antal uparrede elektroner som trivalent mangan, kromoforen, der er ansvarlig for den intense farve af YInMn blå, som Subramanians team opdagede for 15 år siden. The Shepherd Color Company licenserede YInMn blå til brug i en lang række belægninger og plastik, og det inspirerede også til en ny Crayola farveblyant:Bluetiful.

Da YInMn blå blev opdaget, havde forskere eksperimenteret med nye materialer, der kunne bruges i elektronikapplikationer og blandet manganoxid – som er sort i farven – med andre kemikalier, og derefter opvarmet dem i en ovn til næsten 2.400 grader Fahrenheit.

En af deres prøver viste sig at være en strålende blå, opkaldt YInMn blå efter komponentelementerne yttrium, indium og mangan. Det var den første opdagelse af blå pigment i to århundreder og et stort fremskridt inden for sikkerhed og holdbarhed samt livlighed.

I det nye studie blev Subramanian, forskningsmedarbejder Jun Li og kandidatstuderende Anjali Verma inspireret af det divalente kobber, der fungerer som en kromofor i egyptisk blå, som er verdens første kendte syntetiske pigment og dateres til mere end 5.000 år siden.

Forskerne erstattede det divalente kobber i egyptisk blåt med divalent chrom, hvilket førte til holdbare, rødlige magentapigmenter. For at stabilisere det divalente chrom på Jorden holdt forskere høje temperaturer, næsten 2.500 grader Fahrenheit, under højvakuum under syntesen, der startede fra chrommetal, chromtrioxid og andre kemikalier.

"De fleste af de magentafarvede pigmenter, der bruges i dag, er organiske kemikalier og lider af stabilitetsproblemer, når de udsættes for ultraviolette stråler og varme fra solen, fordi de kan nedbryde organiske kemiske bindinger," sagde Subramanian. "Uorganiske magentapigmenter er sjældne, og de fleste kræver en betydelig mængde koboltsalte, som er farlige for både mennesker og miljøet."

De magentapigmenter, der er udviklet af OSU-forskere, er termisk og kemisk inerte på grund af deres høje fremstillingstemperatur og forbliver uændrede strukturelt og optisk ved udsættelse for syre og alkali, bemærker forfatterne.

I modsætning til pigmenter, der indeholder kobolt, er de krombaserede magentapigmenter desuden stærkt reflekterende af varme fra solen – hvilket betyder, at de har en kølende egenskab, der ville føre til energibesparelser for biler og strukturer, der er belagt med dem.

"De fleste pigmenter bliver opdaget ved et tilfælde," sagde Subramanian. "Årsagen er, at oprindelsen af ​​farven på et materiale afhænger ikke kun af den kemiske sammensætning, men også af det indviklede arrangement af atomer i krystalstrukturen. Så nogen skal først fremstille materialet i et laboratorium og derefter studere dets krystalstruktur. grundigt for at forklare farven."

På trods af de seneste fremskridt inden for kvantemekaniske teorier og beregningsmetoder er det stadig umuligt at forudsige en krystalstruktur, der vil producere et intenst uorganisk pigment af en ønsket farve, tilføjede han.

"Vi var heldige første gang med YInMn blue, og nu kommer vi med nogle grundlæggende kemiske og krystalstrukturelle designprincipper for rationelt at skabe nye pigmenter," sagde han.

"At bestemme de vigtigste strukturelle ingredienser, der kræves for at lave levende farver, bør give mulighed for kortere tid mellem pigmentopdagelser. Videnskaben følger ikke altid en foreskrevet vej, men vi udforsker pigmenter med divalent krom som en kromofor i forskellige koordinationsmiljøer i krystalstrukturer af forskellige uorganiske forbindelser."

Flere oplysninger: Anjali Verma et al., Cr ²⁺ i Square Planar Coordination:Holdbare og intense magentapigmenter inspireret af Lunar Mineralogy, Kemi af materialer (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.4c00253

Journaloplysninger: Materialernes kemi

Leveret af Oregon State University