Γνωρίζατε ότι περισσότερο από το 50% της μικροπλαστικής ρύπανσης στους ωκεανούς μας προέρχεται από χρωματιστά χρώματα; Σχεδόν κάθε αντικείμενο που πετούν οι άνθρωποι στον ωκεανό, είτε είναι ένα σπασμένο παιχνίδι, ένα μικρό καπάκι μπουκαλιού ή ένα παπούτσι, έχει κάποιου είδους χρωματική επίστρωση πάνω του. Ενώ μπορείτε να προσπαθήσετε να συλλέξετε όλα τα πλαστικά αντικείμενα που απορρίπτονται στους ωκεανούς, δεν υπάρχει τρόπος να συλλέξετε τα μικροπλαστικά που έχουν ήδη αναμειχθεί με το νερό.
Τα σωματίδια του χρώματος δεν είναι μόνο ένα πρόβλημα στον ωκεανό. αναμειγνύονται επίσης με τον αέρα που αναπνέεις. Το 2010, οι επιστήμονες μελέτησαν την επίδραση των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται στις εμπορικές βαφές τοίχων στην υγεία των παιδιών. Διαπίστωσαν ότι τα παιδιά που κοιμούνται σε δωμάτια με τοίχους βαμμένους με υψηλά επίπεδα πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) είναι πιο πιθανό να αναπτύξουν ιατρικές παθήσεις όπως έκζεμα και άσθμα.
Αυτό σημαίνει λοιπόν ότι τα εμπορικά υλικά βαφής θα συνεχίσουν να υποβαθμίζουν το περιβάλλον και την υγεία μας; Λοιπόν, υπάρχει μια νέα αχτίδα ελπίδας. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Φλόριντα (UCF) δημοσίευσαν πρόσφατα μια μελέτη που περιγράφει την «πλασμονική βαφή», ένα ελαφρύ, φιλικό προς το περιβάλλον υλικό που έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει τις περισσότερες χρωματιστές επικαλύψεις. Ισχυρίζονται ότι η πλασμονική τους βαφή είναι επίσης η πιο ελαφριά βαφή στον κόσμο γιατί αποφεύγει τη χρήση χρωστικών και όλων των υλικών που είναι απαραίτητα για να συγκρατούν τις χρωστικές στη θέση τους.
Ο Pablo Cencillo Abad, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο NanoScience Technology Center του UCF, είπε στην Ars Technica: «Η υπερελαφριά βαφή μας είναι η πιο ελαφριά στον κόσμο και η χρήση της αντί για τις συμβατικές χρωστικές μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του βάρους του συνόλου των αντικειμένων. που είναι εξαιρετικά επωφελές για την αεροδιαστημική βιομηχανία».
Και πρόσθεσε: «Ως παράδειγμα έτοιμης εφαρμογής, θεωρήστε ένα μεγάλο αντικείμενο όπως ένα Boeing 747 jumbo jet. Η συμβατική βαφή απαιτεί μεγάλη ποσότητα χρώματος, συνήθως πάνω από 1.000 λίβρες (454 κιλά), για να επικαλυφθεί ένα αντικείμενο αυτού του είδους. μέγεθος. τύπος. Ωστόσο, θα χρειαζόταν μόνο περίπου 3 λίβρες (1,4 κιλά) της πλασμονικής μας βαφής, κάτι που είναι μια εκπληκτική 400πλάσια μείωση του βάρους».
Η πλασμονική γεωμετρία δημιουργεί χρώματα.
Η πλασμονική είναι ο κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με το πώς η κίνηση των ηλεκτρονίων επηρεάζει τη διέλευση του φωτός στα μέταλλα. Η προτεινόμενη πλασμονική ζωγραφική παράγει χρώματα χρησιμοποιώντας δομικό χρωματισμό, το φαινόμενο που δίνει στα παγώνια και στις πεταλούδες τα φωτεινά, εντυπωσιακά χρώματά τους. Η γεωμετρική διάταξη των φτερών, των κυττάρων του δέρματος και των φολίδων αυτών των ζώων αλλάζει τη διαδρομή των ακτίνων φωτός, με αποτέλεσμα να λυγίζουν σε διαφορετικές γωνίες και να παράγουν διαφορετικά χρώματα.
Ο δομικός χρωματισμός του πλασμονικού πίνακα είναι εμπνευσμένος από πεταλούδες. Αποτελείται από δύο άχρωμα υλικά: νανοσωματίδια αλουμινίου και νανοδομές οξειδίου του αλουμινίου. Απλώς αλλάζοντας τον τρόπο διάταξης αυτών των σωματιδίων, η ομάδα του UCF μπορεί να χειριστεί το ορατό φως και να δημιουργήσει οποιοδήποτε χρώμα, με αποτέλεσμα την πρώτη έγχρωμη δομική ζωγραφική στον κόσμο.
«Τα δομικά μας χρώματα χρησιμοποιούν νανοσωματίδια αλουμινίου για τον έλεγχο των φασματικών συνιστωσών του φωτός και τη δημιουργία μιας μεγάλης παλέτας ορατών χρωμάτων απλώς αλλάζοντας τις παραμέτρους της δομικής παραγωγής. Όταν το φως πέφτει στη δομή μας, τα μεταλλικά ηλεκτρόνια στα σωματίδια αρχίζουν να ταλαντώνονται, συλλαμβάνοντας ορισμένα χρώματα και αντανακλώντας άλλα (αυτό το φαινόμενο ονομάζεται πλασμονικός συντονισμός). Είναι σημαντικό ότι τα συγκεκριμένα χρώματα που απορροφώνται καθορίζονται από τη συγκεκριμένη μορφολογία των νανοσωματιδίων. Επομένως, όταν αλλάζουμε το μέγεθος των σωματιδίων, απορροφούν διαφορετικά χρώματα και παράγουν διαφορετικές αποχρώσεις», είπε ο Abad.
Τα χρώματα που βασίζονται σε χρωστικές ουσίες, από την άλλη πλευρά, λειτουργούν απορροφώντας ορισμένα μήκη κύματος φωτός χρησιμοποιώντας μόρια χρωστικής. Για παράδειγμα, το πράσινο χρώμα στα φυτά προκύπτει από μόρια χλωροφύλλης που απορροφούν το μπλε και κόκκινο φως και αντανακλούν το πράσινο. Εδώ, τα χρώματα είναι απλώς το αποτέλεσμα των ιδιοτήτων του υλικού που χρησιμοποιείται. Ο δομικός χρωματισμός παράγει χρώμα όχι λόγω του υλικού, αλλά ελέγχοντας τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά με το φως.
Ένα πλεονέκτημα των δομικών χρωμάτων έναντι της χημικής μελάγχρωσης είναι ότι αν και τα μόρια της χρωστικής μπορούν να διασπαστούν με την πάροδο του χρόνου και επομένως να χάσουν το χρώμα τους, η δομική χρώση μπορεί να γίνει από πολύ σταθερά υλικά που θα διατηρήσουν το χρώμα εκτός εάν η δομή υποστεί φυσική βλάβη. Έτσι, σε σύγκριση με την τυπική βαφή, η πλασμονική βαφή είναι πιο ανθεκτική.
ένα win-win
Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, η ανθεκτικότητα δεν είναι το μόνο πλεονέκτημα που προσφέρουν τα πλασμονικά χρώματα. Για παράδειγμα, δεν έχουν πτητικές οργανικές ενώσεις ή μολυσματικές ουσίες που βρίσκονται συνήθως σε συμβατικά χρώματα. Επιπλέον, δεν είναι τοξικά, καθώς δεν συντίθενται χημικά με μόρια χρωστικής ή βαφής, αλλά αυτοσυναρμολογούνται με μεθόδους νανοκατασκευής.
Επομένως, ένας τοίχος ή ένα αντικείμενο επικαλυμμένο με πλασμονική βαφή δεν θα έχει την ίδια επιβλαβή επίδραση στην ανθρώπινη υγεία και στο περιβάλλον όπως πολλά χρώματα. Επίσης, δεδομένου ότι τα πλασμονικά νανοσωματίδια έχουν σχεδιαστεί για να εξαλείφουν επιλεκτικά ορισμένα μήκη κύματος φωτός στο ορατό φάσμα και να αντανακλούν οτιδήποτε άλλο, απορροφούν πολύ λιγότερη θερμότητα σε σύγκριση με τα παραδοσιακά χρώματα (που απορροφούν το υπέρυθρο φως μαζί με το ορατό φως) και επομένως μπορούν να μειώσουν την ενέργεια και τον αέρα χρήση κλιματισμού σε εσωτερικούς χώρους και οχήματα.
Τα πλασμονικά χρώματα είναι επίσης πολύ εύκαμπτα. Σήμερα, εάν ένας κατασκευαστής χρωμάτων χρειάζεται να παράγει μια νέα απόχρωση με βάση τη χρωστική ουσία, θα χρειαστεί ένα νέο μόριο χρωστικής. Τα πλασμονικά χρώματα μπορούν να παράγουν μια ευρεία γκάμα νέων χρωμάτων με μία μόνο σύνθεση. Το μόνο που χρειάζεται να κάνουν είναι να αλλάξουν τη γεωμετρική διάταξη των νανοδομών στη ζωγραφική τους.
Το πιο εκπληκτικό είναι ότι χρειάζεστε μόνο ένα χέρι πλασμονικό χρώμα για να καλύψετε έναν ολόκληρο τοίχο ή αντικείμενο. Οι χημικές χρωστικές βασίζονται σε ογκομετρικά αποτελέσματα, επομένως είναι απαραίτητο να επικαλυφθεί ένα αντικείμενο με πολλά στρώματα για να διασφαλιστεί ότι ο όγκος ή το πάχος της βαφής είναι επαρκής για να αντικατοπτρίζει τις επιθυμητές συχνότητες χρώματος, συνήθως από μικρόμετρα έως χιλιοστά. Δεδομένου ότι το πλασμονικό χρώμα μπορεί να ελέγξει και να χειριστεί τον τρόπο με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά μαζί τους, “μπορούμε να τα κάνουμε πλήρως ανακλαστικά ακόμη και με ένα στρώμα πάχους νανομέτρων, 500 έως 1.000 φορές πιο λεπτό από τα ανθρώπινα μαλλιά”, είπε ο Abad.
Δεν υπάρχουν περιορισμοί για την παραγωγή πλασμονικής ζωγραφικής μεγάλης κλίμακας. Το κύριο συστατικό που χρησιμοποιείται εδώ είναι το αλουμίνιο, το οποίο είναι το πιο άφθονο μέταλλο που βρίσκεται στον φλοιό της γης. «Η διαδικασία κατασκευής χρωμάτων μας χρησιμοποιεί τεχνικές που είναι ήδη κοινές στις βιομηχανίες ηλεκτρονικών, ημιαγωγών και επιστρώσεων. Αυτό σημαίνει ότι η υποδομή και η τεχνογνωσία που απαιτούνται για την παραγωγή του χρώματος υπάρχουν ήδη και η διαδικασία μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί ώστε να καλύψει τη ζήτηση. Ως εκ τούτου, είναι μια πολύ πρακτική και εφικτή λύση για μεγάλης κλίμακας εμπορικές εφαρμογές», δήλωσε ο Abad στην Ars Technica.
Είναι έτοιμο για χρήση;
Το πλασμονικό χρώμα υπόσχεται να είναι μια βιώσιμη, επεκτάσιμη, ελαφριά και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε σχέση με τα συμβατικά προϊόντα έγχρωμης επίστρωσης, αλλά δεν είναι ακόμη έτοιμη να πωληθεί στα καταστήματα. Οι συντάκτες της μελέτης υποστηρίζουν ότι βρίσκεται στα αρχικά στάδια ανάπτυξης και έχει υψηλό κόστος παραγωγής. Εξερευνούν νέες εφαρμογές και βελτιώνουν τις μεθόδους παραγωγής τους για να κάνουν την πλασμονική ζωγραφική πιο αποτελεσματική και κερδοφόρα.
Ο Abad και η ομάδα του εργάζονται επίσης σε ασπίδες πλασμονικής θερμικής ακτινοβολίας και προσπαθούν να υβριδίσουν το χρώμα τους με βιοδιασπώμενα λειτουργικά πολυμερή. Αυτό θα επέτρεπε αλλαγές χρώματος ως απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα, καθιστώντας την επίστρωση ιδανική για περιβαλλοντική αίσθηση ή ακόμα και για «έξυπνες» βαφές. «Πιστεύουμε ακράδαντα ότι αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στη βιομηχανία χρωμάτων και να επιτρέψει νέες καινοτομίες σε ένα ευρύ φάσμα τομέων», δήλωσε ο Abad.
Scientific Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf7207 (Σχετικά με τα DOI)
Η Rupendra Brahambhatt είναι μια έμπειρη δημοσιογράφος και σκηνοθέτης. Καλύπτει επιστημονικά και πολιτιστικά νέα και τα τελευταία πέντε χρόνια συνεργάζεται ενεργά με μερικά από τα πιο καινοτόμα πρακτορεία ειδήσεων, περιοδικά και επωνυμίες μέσων ενημέρωσης που δραστηριοποιούνται σε διάφορα μέρη του κόσμου.