Tienduizenden jaren lang, mensen hebben kleuren gecreëerd door middel van eenvoudige chemie. In het begin gebruikten we kleurstoffen die in de natuur voorkomen, zoals bessen en houtskool. Later, in het lab werden nieuwe pigmenten gesynthetiseerd.

Tegen deze tijd, je zou denken dat wetenschappers alle mogelijke kleuren zouden hebben bedacht, maar in feite worden ze nog steeds uitgevonden om nieuwe uitdagingen aan te gaan:tanks hebben betere camouflage nodig, spiegels moeten helderder zijn, en satellieten hebben nieuwe lichtabsorberende afwerkingen nodig om verder de ruimte in te kunnen kijken.

Tegenwoordig gebruiken onderzoekers natuurkunde om nieuwe kleuren uit te vinden, misschien geïnspireerd door de iriserende tinten gecreëerd door structuren in vlindervleugels die licht verstrooien.

Deze nieuwe structurele kleuren zijn het resultaat van een interactie tussen licht en nanoschaalkenmerken die vele malen dunner zijn dan mensenhaar.

Het uitvinden van kleuren is nu een spannende combinatie van chemie en nieuwe materialen en structuren.

Het verhaal van Vantablack

Vantablack is een beroemd voorbeeld van kleur gecreëerd door structuur.

Wetenschappers van Surrey NanoSystems in het VK lanceerden "Vantablack" in 2014. Gemaakt van verpakte verticaal uitgelijnde kleine koolstofbuisjes, de structuur en opstelling van de buizen versterken het natuurlijke zwarte karakter van koolstof nog meer, waardoor het 99,96% van het licht opvangt.

Om dit in perspectief te plaatsen, als je denkt aan een bos met bomen van ongeveer een meter in doorsnee, dan zouden deze bomen ongeveer een kilometer hoog worden. Licht dat op dit zeer hoge woud van buizen valt, kaatst rond en wordt bijna perfect geabsorbeerd.

Verschillende onderzoeksgroepen, waaronder NASA, hebben zich gericht op soortgelijke inspanningen om het "zwartste zwart" te bereiken. Hoewel hiervoor verschillende materialen kunnen worden gebruikt, waaronder gouden nanodeeltjes en staven, het lijkt erop dat coatings van koolstof nanobuisjes de meest efficiënte optie zijn.

Hoewel niet zo absorberend van licht, de natuur heeft zijn eigen versie van Vantablack. De rugschubben van de West-Afrikaanse Gabon-adder, enkele van de donkerste die in het wild worden gevonden, een specifieke "bladachtige" structuur hebben. Het gebruikt zijn zwarte structurele kleur als onderdeel van een uitgebreide camouflage die is aangepast aan zijn boshabitat.

Waarom hebben we het "zwartste zwart" nodig?

Het streven naar een absoluut zwart materiaal is gedreven door de behoefte om lichtenergie volledig te absorberen en om te zetten in warmte.

De gevoeligheid van optische instrumenten die een minimale hoeveelheid strooilicht of ongewenst licht vereisen, zoals telescopen, sterk verbeterd kunnen worden door de toevoeging van Vantablack-gecoate oppervlakken in hun optische systeem, bijvoorbeeld. Dit zou de waarneming van zwakkere sterren mogelijk maken.

In infrarood- of thermische sensorsystemen, het gebruik ervan zou ook de signaal-ruisverhouding kunnen verbeteren en resulteren in een betere resolutie bij warmtedetectie. Omdat materialen als Vantablack bijna al het licht absorberen, andere mogelijke toepassingen kunnen liggen in thermische opvangsystemen zoals zonnepanelen.

De coating is relatief kwetsbaar, echter, en moet doorgaans worden beschermd of ingekapseld in een instrument.

Perceptie en reflectie

We zien kleuren omdat licht wordt gereflecteerd door onze omgeving. Het is nogal verontrustend om naar een Vantablack-oppervlak te kijken, ten slotte, omdat het gebrek aan lichtreflectie een gevoel van leegte geeft dat moeilijk te verwerken is voor de hersenen.

Whist Vantablack absorbeert licht, in sommige toepassingen, zoals spiegels, we willen dat ze al het mogelijke licht reflecteren.

Spiegels voor geconcentreerde zonne-energietoepassingen hebben sterk reflecterende coatings nodig om al het licht te reflecteren en de energie van de zon te concentreren op een enkel punt om warmte te creëren. Die warmte kan vervolgens worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.

We ontwikkelen ook visuele effecten voor gebruik in de auto-industrie door microdeeltjes in coatings in te bedden, het creëren van een satijnen of laagglans kunststof bekleding. Deze microdeeltjes zijn gemaakt van glas en verstrooien het invallende licht, stuiteren rond de laag waarin ze zijn ingebed en geven aanleiding tot een uniform satijneffect.

traditioneel, dit zou zijn gedaan met galvaniseren, een proces waarbij metalen vanuit vloeibare metaalzoutbaden op een oppervlak worden afgezet. Deze alternatieve techniek vermijdt de kankerverwekkende materialen die worden gebruikt bij galvaniseren om vergelijkbare prestaties te leveren, maar met weinig milieuproblemen.

Nieuwe kleuren kunnen ook worden bereikt door materialen met een verschillende brekingsindex in lagen aan te brengen - een maatstaf voor het vermogen van een materiaal om licht te buigen. Wanneer u een aantal lagen met verschillende brekingsindexen op elkaar stapelt en hun dikte regelt, je kunt interferentie veroorzaken. Dit is hetzelfde fenomeen als wanneer je een olievlek op water ziet.

Maar, zoals gewoonlijk, de natuur is er eerst. Reflecterende structurele kleur is te vinden op de schalen van: Sardina pilchardus , ook wel bekend als de bescheiden Europese sardine.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.