Wetenschap
Onderzoekers bevorderen de pigmentchemie met op de maan geïnspireerde roodachtige magenta's
Een onderzoeker van de Oregon State University die in 2009 kleurgeschiedenis schreef met een levendig blauw pigment heeft duurzame, roodachtige magenta's ontwikkeld, geïnspireerd door de mineralogie van de maan en de oude Egyptische chemie.
Mas Subramanian, hoogleraar scheikunde, en medewerkers bij OSU rapporteren de bevindingen van het onderzoek in het tijdschrift Chemistry of Materials .
De nieuwe pigmenten, die kunnen worden gebruikt als energiezuinige coatings voor voertuigen en gebouwen, zijn gebaseerd op tweewaardig chroom, Cr 2+ , en zijn de eersten die het als chromofoor gebruiken; chromoforen zijn de delen van een molecuul die de kleur bepalen door bepaalde golflengten van licht te reflecteren en andere te absorberen.
"Tot op heden is van geen enkel mineraal op aarde bekend dat het chroom in de tweewaardige toestand als een van de componenten bevat", zegt Subramanian, hoogleraar materiaalkunde van Milton Harris aan het OSU College of Science. "De analyse van monsters van maanmineralen verzameld tijdens Apollo-missies toonde echter het voorkomen van chroom in de tweewaardige toestand aan."
Tweewaardig chroom heeft hetzelfde aantal ongepaarde elektronen als driewaardig mangaan, de chromofoor die verantwoordelijk is voor de intense kleur van YInMn-blauw, dat het team van Subramanian 15 jaar geleden ontdekte. The Shepherd Colour Company heeft YInMn-blauw in licentie gegeven voor gebruik in een breed scala aan coatings en kunststoffen, en het inspireerde ook een nieuwe Crayola-krijtkleur:Bluetiful.
Toen YInMn-blauw werd ontdekt, hadden onderzoekers geëxperimenteerd met nieuwe materialen die konden worden gebruikt in elektronische toepassingen en mangaanoxide (dat zwart van kleur is) gemengd met andere chemicaliën, en deze vervolgens in een oven verwarmd tot bijna 2400 graden Fahrenheit.
Eén van hun monsters bleek briljant blauw te zijn, genaamd YInMn-blauw naar de samenstellende elementen yttrium, indium en mangaan. Het was de eerste ontdekking van blauwe pigmenten in twee eeuwen en een enorme vooruitgang op het gebied van veiligheid, duurzaamheid en levendigheid.
In de nieuwe studie lieten Subramanian, onderzoeksmedewerker Jun Li en afgestudeerde student Anjali Verma zich inspireren door het tweewaardige koper dat dient als chromofoor in Egyptisch blauw, het eerste bekende synthetische pigment ter wereld en dateert van meer dan 5000 jaar geleden. P>
De onderzoekers vervingen het tweewaardige koper in Egyptisch blauw door tweewaardig chroom, wat leidde tot duurzame, roodachtige magenta pigmenten. Om het tweewaardige chroom op aarde te stabiliseren, handhaafden onderzoekers hoge temperaturen, bijna 2500 graden Fahrenheit, onder hoog vacuüm tijdens de synthese die begon met chroommetaal, chroomtrioxide en andere chemicaliën.
"De meeste van de magentakleurige pigmenten die tegenwoordig worden gebruikt, zijn organische chemicaliën en lijden aan stabiliteitsproblemen bij blootstelling aan ultraviolette straling en hitte van de zon, omdat ze organische chemische bindingen kunnen afbreken", zei Subramanian. "Anorganische magentapigmenten zijn zeldzaam en de meeste vereisen een aanzienlijke hoeveelheid kobaltzouten die gevaarlijk zijn voor zowel mens als milieu."
De magentapigmenten die door OSU-onderzoekers zijn ontwikkeld, zijn thermisch en chemisch inert vanwege hun hoge bereidingstemperatuur en blijven structureel en optisch ongewijzigd bij blootstelling aan zuren en alkaliën, merken de auteurs op.
Bovendien reflecteren de op chroom gebaseerde magentapigmenten, in tegenstelling tot de pigmenten die kobalt bevatten, in hoge mate de warmte van de zon. Dit betekent dat ze een verkoelende eigenschap hebben die zou leiden tot energiebesparingen voor auto's en constructies die ermee zijn gecoat.
"De meeste pigmenten worden bij toeval ontdekt", zei Subramanian. “De reden is dat de oorsprong van de kleur van een materiaal niet alleen afhangt van de chemische samenstelling, maar ook van de ingewikkelde rangschikking van atomen in de kristalstructuur. Iemand moet het materiaal dus eerst in een laboratorium maken en vervolgens de kristalstructuur ervan bestuderen. om de kleur grondig uit te leggen."
Ondanks de recente vooruitgang op het gebied van kwantummechanische theorieën en computationele methoden, is het nog steeds ongrijpbaar om een kristalstructuur te voorspellen die een intens anorganisch pigment met de gewenste kleur zal produceren, voegde hij eraan toe.
"We hadden de eerste keer geluk met YInMn-blauw, en nu komen we met een aantal fundamentele chemische en kristalstructurele ontwerpprincipes om op rationele wijze nieuwe pigmenten te creëren", zei hij.
"Het bepalen van de belangrijkste structurele ingrediënten die nodig zijn voor het maken van levendige kleuren zou kortere tijden tussen pigmentontdekkingen mogelijk moeten maken. De wetenschap volgt niet altijd een voorgeschreven pad, maar we onderzoeken pigmenten met tweewaardig chroom als chromofoor in diverse coördinatieomgevingen in kristalstructuren van verschillende anorganische verbindingen."