In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Science Advances , Paulo H. Michels-Brito, en een team van onderzoekers in de natuurkunde, anorganische chemie en fysische chemie in Duitsland en Noorwegen, toonden aan hoe heldere niet-iriserende structurele kleuring gemakkelijk en snel kan worden bereikt met tweedimensionale nanoplaten van kleimineraal.

Structurele kleuren kunnen afkomstig zijn van kleimineraal nanosheetoplossingen via constructieve interferentie van licht na reflectie en verstrooiing van nanostructuren met een periodiciteit die vergelijkbaar is met golflengten van zichtbaar licht. De wetenschappers verbeterden de helderheid enorm door dubbele klei-nanobladen te gebruiken om de brekingsindex van klei te optimaliseren die anders de structurele kleuring van dergelijke systemen zou kunnen belemmeren.

Door de kleiconcentratie en ionsterkte te variëren, konden de structurele kleuren nauwkeurig en reproduceerbaar worden gereguleerd om gemakkelijk niet-iriserend te verkrijgen. Dergelijke nanosheets met kleiontwerp kunnen worden ingebed in recyclebare vaste matrices om tegelijkertijd afstembare, levendige kleuren, mechanische sterkte en stabiliteit te bieden om een ​​voorheen onbekend gebied te openen voor duurzame kleuren.

Structurele kleuring in de natuur en in het laboratorium

Structurele kleuren zijn het gevolg van fotonische golven die constructief interfereren na reflectie en verstrooiing van nanostructuren met afstanden die vergelijkbaar zijn met golflengten van zichtbaar licht. Het mechanisme van structurele kleuring verschilt fundamenteel van de absorptie van kleurstoffen of pigmenten. Bij structurele kleuren zou het materiaal bijvoorbeeld semi-transparant kunnen zijn, waarbij het kleurenspectrum kan worden afgestemd door de nanostructuren aan te passen.

Dit mechanisme kan worden gecombineerd met lichtabsorberende donkere pigmenten, zoals opgemerkt met belangrijke biologische kleuringsmechanismen die in de natuur worden gezien; voorkomen op vogels, zeedieren, sommige zoogdieren, insecten en bepaalde planten. Het concept van structurele kleuring heeft ook geleid tot enorme belangstelling in de industriële sectoren, waaronder de fotonische cosmetica van L'Oréal en Morphotex om bio-geïnspireerde ontwerpen te vertegenwoordigen.

De overvloed en de tijd die nodig is om het concept te fabriceren, zijn echter belangrijke beperkingen voor hoogwaardige industriële toepassingen. Structurele kleuring is afhankelijk van irisatie, bijvoorbeeld de veren van bluebirds en vlinders kunnen worden nagebootst met behulp van colloïdale deeltjes. In dit werk, Michels-Brito et al. bedacht een methode om structuurkleuren te produceren uit dubbele lagen van nematische klei (DBL's). Het team koos voor synthetisch natriumfluorhectoriet (Na-FHt) - een synthetisch kleimineraal met superieure kwaliteit in verhouding tot structurele homogeniteit, smalle ladingsverdeling en een grote aspectverhouding, die het team karakteriseerde als materiaaleigenschappen.

De onderzoekers stemden de Na-FHt-tot-waterverhouding en nanosheet-scheidingen af ​​op basis van het golflengtebereik van zichtbaar licht, waarbij de fotonische Bragg-stacks die het hele spectrum van kleuren beslaan, snel en gemakkelijk konden worden geproduceerd. De zwevende enkele lagen gaven aanleiding tot vloeiende en heldere kleuren. Het team kon echter de helderheid en non-iridescentie van de structurele kleuren verbeteren door dubbele lagen (DBL's) van twee zwevende enkele lagen aan elkaar vastgemaakt toe te passen.

Als een directe biomimetische analoog aan dit mechanisme, Michels-Brito et al. vergeleek de Loliginid-inktvissen, vanwege hun vermogen om hun structurele kleuren af ​​te stemmen via osmotisch gestuurde veranderingen. Structurele kleuring van de DBL's (dubbele lagen) was gebaseerd op sterke elektrostatische afstoting tussen cofaciale (lego-achtige) klei-nanobladen om ze op verschillende afstanden te scheiden door simpelweg de juiste hoeveelheid water toe te voegen en de golflengte te kiezen die constructief interfereert.

De wetenschappers beschreven de constructieve interferentie van wit licht van individuele nanosheets met behulp van de wet van Bragg-Snell. Dienovereenkomstig hing de waargenomen kleur af van de laagafstand en de waarnemingshoek (irisescentie). Het team regelde de scheiding van nanobladen door de kleiconcentratie in suspensies af te stemmen in platte kwartscuvetten met een padlengte van 1 mm om de mogelijkheid aan te tonen om structurele kleuren snel af te stemmen door water aan de oplossing toe te voegen.

Optimaliseren van de techniek voor industriële toepassingen

De dubbellaags vertoonde twee verschillende structurele kleurveranderingen, waarbij de effectieve brekingsindex kon worden bepaald met behulp van kleine-hoek röntgenverstrooiing en reflectieve spectrofotometergegevens. Omdat elektrostatische interacties de scheiding van nanobladen regelden, konden de kleuren worden afgestemd door de ionsterkte te variëren.

Door bijvoorbeeld de ionsterkte van een rode dubbellaagse oplossing te vergroten, zou het team de structurele kleur blauw kunnen verschuiven als gevolg van verminderde scheiding van nanobladen, als gevolg van toenemende elektrostatische screening. Tijdens het onderzoek leken alle monsters onverwacht niet-iriserend voor het oog. Na nauwkeurige inspectie merkten ze kleine verschillen in de helderheid van de kleuren op basis van de kijkhoek. De non-iridescentie van de nematische klei-oplossingen was het gevolg van een combinatie van lokale stoornissen met betrekking tot het buigen en kreuken van nanobladen, en turbostratische organisatie in het vlak van nanobladen.

Michels-Brito et al. bestudeerde de monsters in kwartscuvetten met een vaste ruimte, waar verzegelde monsters die meer dan vier tot vijf dagen 'op het bureau' zaten, enige irisatie vertoonden. Voor monsters die in zoutoplossing waren bereid, waren dergelijke afbraaktijden korter in de orde van twee dagen als gevolg van sedimentatie van de oplossingen, waardoor de kleuren werden gewijzigd. Het team herstelde de kleuren snel door de cuvetten voorzichtig te schudden. Deze tijdschema's van twee tot vijf dagen boden voldoende hiaten om de niet-iriserende aard van structurele kleuren in een transparante matrix te fixeren voor daaropvolgende industriële rol-tot-rolverwerking voor pigmentfabricage. De films kunnen worden verkleind tot minder dan 1 mm om kleuren te vormen in oplossingen met een dikte van 200 µm.

Vooruitzichten

Op deze manier Paulo H. Michels-Brito et al. presenteerde een systeem dat rekening hield met de duurzaamheid en overvloed aan kleimineralen voor opgeschaalde toepassingen op verschillende gebieden, variërend van pigmenten in cosmetica tot gezondheidszorg, evenals ramen en tegels. De uitkomsten van dit onderzoek naar synthetische klei kunnen worden overgedragen naar natuurlijke kleien, waar vermiculiet zich als de meest geschikte kandidaat presenteert om het concept op te schalen.

Het team voorziet het opnemen van geëxfolieerde klei-nanobladen in kleine hoeveelheden tot polymeermatrices, inclusief biologisch afbreekbare biopolymeren en hydrogelmatrices voor structurele verbetering om de mechanische sterkte en stabiliteit van de resulterende composieten af ​​te stemmen. De resultaten hebben een grote impact in cosmetica en persoonlijke verzorgingstoepassingen om duurzamere en recycleerbare formules te vormen, om ook de doelen van een circulaire economie te bereiken. + Verder verkennen

Structurele kleuren, zonder de glans

© 2022 Science X Network