Lyse, ikke-iriserende strukturelle farver fra lermineral nanoplader

I en ny rapport, der nu er offentliggjort på Science Advances , Paulo H. Michels-Brito, og et team af forskere inden for fysik, uorganisk kemi og fysisk kemi i Tyskland og Norge, viste, hvordan lys, ikke-iriserende strukturel farve nemt og hurtigt kunne opnås fra todimensionelle nanoplader af lermineral.

Strukturelle farver kan stamme fra lermineral nanopladeløsninger via konstruktiv interferens af lys efter refleksion og spredning fra nanostrukturer med periodicitet, der kan sammenlignes med synligt lys bølgelængder. Forskerne forbedrede lysstyrken enormt ved at bruge dobbelte ler nanoplader til at optimere lerets brydningsindeks, der ellers kan hæmme strukturel farvning fra sådanne systemer.

Ved at variere lerkoncentrationen og ionstyrken kunne de strukturelle farver reguleres præcist og reproducerbart for let at opnå ikke-iriserende. Sådanne nanoplader i lerdesign kan indlejres i genanvendelige solide matricer for samtidig at give justerbare, levende farver, mekanisk styrke og stabilitet for at åbne et tidligere ukendt område for bæredygtige farver.

Strukturfarvning i naturen og i laboratoriet

Strukturelle farver er resultatet af fotoniske bølger, der interfererer konstruktivt efter refleksion og spredning fra nanostrukturer med afstande, der kan sammenlignes med bølgelængder af synligt lys. Mekanismen for strukturel farvning er fundamentalt forskellig fra absorbansen af ​​farvestoffer eller pigmenter. For eksempel kan materialet med strukturelle farver være semi-transparent, hvor farvespektret kan justeres ved at justere nanostrukturerne.

Denne mekanisme kan kombineres med lysabsorberende mørke pigmenter som bemærket med vigtige biologiske farvemekanismer set i naturen; vist på fugle, havdyr, nogle pattedyr, insekter og visse planter. Konceptet med strukturel farve har også vakt enorm interesse i de industrielle sektorer, herunder L'Oréals fotoniske kosmetik og Morphotex, der repræsenterer bioinspirerede designs.

Men den overflod og tid, det tager at fremstille konceptet, er store begrænsninger for eksklusive industrielle applikationer. Strukturel farve er afhængig af iriscens, for eksempel kan fjerene fra blåfugle og sommerfugle efterlignes ved hjælp af kolloide partikler. I dette arbejde har Michels-Brito et al. udtænkt en metode til at producere strukturelle farver fra nematic clay double layers (DBL'er). Holdet valgte syntetisk natrium-fluorhektorit (Na-FHt) - et syntetisk lermineral med overlegen kvalitet i forhold til strukturel homogenitet, snæver ladningsfordeling og et stort aspektforhold, som holdet karakteriserede som materialeegenskaber.

Forskerne indstillede Na-FHt til vand-forholdet og nanoark-separationer baseret på bølgelængdeområdet for synligt lys, hvor de fotoniske Bragg-stabler, der dækker hele spektret af farver, kunne produceres hurtigt og nemt. De ophængte enkeltlag gav anledning til glatte og lyse farver. Holdet kunne dog forbedre lysstyrken og ikke-niridescensen af ​​de strukturelle farver ved at anvende dobbeltlag (DBL'er) af to suspenderede enkeltlag, der er fastgjort sammen.

Som en direkte biomimetisk analog til denne mekanisme, Michels-Brito et al. sammenlignede Loliginid-blæksprutterne på grund af deres evne til at justere deres strukturelle farver via osmotisk drevne ændringer. Strukturel farvning fra DBL'erne (dobbeltlag) var afhængig af stærk elektrostatisk frastødning mellem cofaciale (lego-lignende) ler nanoark for at adskille dem til forskellige afstande ved blot at tilføje den rigtige mængde vand og vælge den bølgelængde, der interfererer konstruktivt.

Forskerne beskrev den konstruktive interferens af hvidt lys fra individuelle nanoark ved at bruge Bragg-Snells lov. Følgelig afhang den observerede farve af lagafstanden og observationsvinklen (iriscens). Holdet regulerede adskillelse af nanoark ved at justere lerkoncentrationen i suspensioner i flade kvartskuvetter med en 1 mm vejlængde for at vise muligheden for hurtigt at justere strukturelle farver ved at tilsætte vand til opløsningen.

Optimering af teknikken til industrielle applikationer

Dobbeltlaget præsenterede to forskellige strukturelle farveændringer, hvor det effektive brydningsindeks kunne bestemmes ved hjælp af småvinklet røntgenspredning og reflekterende spektrofotometerdata. Da elektrostatiske interaktioner styrede adskillelse af nanoark, kunne farverne indstilles ved at variere ionstyrken.

For eksempel, ved at øge ionstyrken af ​​en rød dobbeltlagsopløsning, kunne holdet blåskifte den strukturelle farve på grund af reduceret nanoark-adskillelse på grund af stigende elektrostatisk screening. Under undersøgelsen virkede alle prøver uventet ikke-iriserende for øjet. Efter nøje inspektion bemærkede de små forskelle i farvernes lysstyrke baseret på synsvinklen. Ikke-niridscensen af ​​de nematiske leropløsninger var resultatet af en kombination af lokale lidelser i forhold til bøjning og rynkning af nanoark og turbostratisk organisering i planet af nanoark.

Michels-Brito et al. undersøgte prøverne i kvartskuvetter med fast plads, hvor forseglede prøver, der sad 'på skrivebordet' i mere end fire til fem dage, viste en vis iris. For prøver fremstillet i saltvand var sådanne nedbrydningstider kortere i størrelsesordenen to dage på grund af sedimentering af opløsningerne, som modificerede farverne. Holdet genfandt hurtigt farverne ved forsigtigt at ryste kuvetterne. Disse tidsskalaer på to til fem dage gav tilstrækkelige mellemrum til at fiksere den ikke-iriserende karakter af strukturelle farver i en gennemsigtig matrix til efterfølgende industriel rulle-til-rulle-behandling til pigmentfremstilling. Filmene kan reduceres i tykkelse til under 1 mm for at danne farver i 200 µm tykke opløsninger.

Outlook

På denne måde Paulo H. Michels-Brito et al. præsenterede et system, der redegjorde for bæredygtigheden og overfloden af ​​lermineraler til opskalerede anvendelser på tværs af forskellige områder lige fra pigmenter i kosmetik til sundhedspleje samt vinduer og fliser. Resultaterne af denne undersøgelse om syntetisk ler kan overføres til naturligt ler, hvor vermiculit præsenterer sig selv som den bedst egnede kandidat til at opskalere konceptet.

Holdet forestiller sig at inkludere eksfolierede ler-nanoark i små mængder til polymermatricer, herunder bionedbrydelige biopolymerer og hydrogelmatricer til strukturel forbedring for at justere den mekaniske styrke og stabilitet af de resulterende kompositter. Resultaterne har stor indflydelse på kosmetik og personlig pleje for at danne mere bæredygtige og genanvendelige formler, for også at nå målene for en cirkulær økonomi. + Udforsk yderligere

Strukturelle farver uden shimmer

© 2022 Science X Network