Tijdens het onderzoek naar hackmanite ontdekten onderzoekers dat het van kleur kan veranderen bij herhaaldelijke blootstelling aan UV-straling zonder te verslijten. De resultaten laten zien dat de goedkope hackmaniet, die gemakkelijk te synthetiseren is, ook een hoge duurzaamheid en meerdere toepassingen heeft.

Een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Turku, Finland, onderzoekt en ontwikkelt al bijna tien jaar de eigenschappen van de hackmaniet. Toepassingen zoals persoonlijke UV-monitoring en röntgenbeeldvorming zijn ontwikkeld op basis van het vermogen van hackmanite om van kleur te veranderen.

Hackmaniet verandert van kleur van wit naar paars onder UV-straling en wordt uiteindelijk weer wit als er geen UV aanwezig is. De structurele kenmerken die dergelijke herhaalde veranderingen mogelijk maken, zijn tot nu toe onduidelijk. Nu, bij het onderzoeken van drie natuurlijke mineralen - hackmanite, tugtupite en scapolite - hebben de onderzoekers het antwoord gevonden.

Deze van kleur veranderende mineralen zijn anorganische natuurlijke materialen, maar er zijn ook organische verbindingen, koolwaterstoffen, die door blootstelling aan straling omkeerbaar van kleur kunnen veranderen. Deze koolwaterstoffen kunnen echter maar een paar keer van kleur veranderen voordat hun moleculaire structuur kapot gaat. Dit komt omdat de kleurverandering een drastische verandering in de structuur met zich meebrengt, en als deze verandering herhaaldelijk wordt ondergaan, breekt het molecuul uiteindelijk.

"In dit onderzoek ontdekten we voor het eerst dat er ook daadwerkelijk een structurele verandering is betrokken bij het kleurveranderingsproces. Wanneer de kleur verandert, bewegen natriumatomen in de structuur relatief ver weg van hun gebruikelijke plaatsen en keren dan terug Dit kan 'structurele ademhaling' worden genoemd en het vernietigt de structuur niet, zelfs niet als het een groot aantal keren wordt herhaald', meldt professor Mika Lastusaari van de afdeling scheikunde van de universiteit van Turku, Finland.

Onderzoekers hebben aangetoond dat het vermogen van hackmanite om af te wisselen tussen witte en paarse vormen zeer herhaalbaar is

Volgens professor Lastusaari is de duurzaamheid te danken aan de sterke driedimensionale kooiachtige algehele structuur van deze mineralen, die vergelijkbaar is met die in zeolieten. In wasmiddelen, bijvoorbeeld, stelt de kooiachtige structuur zeoliet in staat magnesium en calcium uit water te verwijderen door ze stevig in de poriën van de kooi te binden.

"In these color-changing minerals, all processes associated with the color change occur inside the pores of the zeolitic cage where the sodium and chlorine atoms reside. That is, the cage-like structure allows atomic movement inside the cage while keeping the cage itself intact. This is why minerals can change color and revert back to their original color practically indefinitely," Doctoral Researcher Sami Vuori explains.

Previously, it has been known that scapolite changes color much faster than hackmanite, whereas tugtupite's changes are much slower.

"Based on the results of this work, we found out that the speed of the color change correlates with the distance that the sodium atoms move. These observations are important for future material development, because now we know what is required from the host structure to allow the control and tailoring of the color change properties," says Doctoral Researcher Hannah Byron.

"There were no characterization methods available for the research on color changing minerals, which is why we have developed new methods by ourselves. However, it is difficult to interpret the results unambiguously based on experimental data alone. In fact, we could not have reached the present conclusions without strong support from theoretical calculations, since only the combination of experimental and computational data shows the whole picture. We owe a great many thanks to our collaborator Professor Tangui Le Bahers and his group, who have developed and advanced suitable computational methods to such detail and accuracy that would not have been possible just a few years ago," says Lastusaari.

Hackmanite has amazing potential for applications

The Intelligent Materials Research Group at the Department of Chemistry of the University of Turku, led by Lastusaari, has long conducted pioneering research on materials with light and color-related properties, especially on hackmanite. They are currently exploring numerous applications for hackmanite, such as possibly replacing LEDs and other light bulbs with the natural mineral and using it in X-ray imaging.

One of the most interesting avenues that the researchers are currently exploring is a hackmanite-based dosimeter and passive detectors for the International Space Station, intended to be used to measure the radiation dose uptake of materials during space flights.

"The strength of hackmanite's color depends on how much UV radiation it is exposed to, which means that the material can be used, for example, to determine the UV index of Sun's radiation. The hackmanite that will be tested on the space station will be used in a similar fashion, but this property can also be used in everyday applications. We have for example already developed a mobile phone application for measuring UV radiation that can be used by anyone," explains Sami Vuori.

The paper was published in June in the PNAS journal. + Verder verkennen

Natural mineral hackmanite enables new method of x-ray imaging