Учёные создали белый материал из воздуха без пигментов и вредных химикатов

Если присмотреться к знаменитой японской гравюре Хокусая «Большая волна у Канагавы», яркие белые участки кажутся нарисованными на бумаге. Однако белая пена волн, снег на Фудзи и облака на небе не содержат никакого белого пигмента. Их яркость возникает благодаря рассеиванию света на волокнах традиционной бумаги васи.

Структурная белизна вместо пигментов

Это явление называется структурной белизной. Вместо того чтобы полагаться на цветное вещество, яркость возникает из взаимодействия микроскопической структуры материала со светом. Такой эффект встречается повсеместно в природе: морская пена, облака и снег выглядят интенсивно белыми благодаря тому, что их структура чрезвычайно эффективно рассеивает видимый свет. Похожие эффекты можно обнаружить в растительных тканях и даже в пенистых защитных гнёздах, которые строят некоторые лягушки. Во многих случаях эти структуры состоят в основном из воздуха, но при этом производят поразительную белизну без какого-либо пигмента.

Проблемы традиционных материалов

Международная команда во главе с профессором Иасаном Сиванией из Института интегрированных клеточно-материальных наук (iCeMS) Киотского университета, работавшая с исследователями из Токийского столичного университета и Университета Дунхуа, поставила перед собой цель создать новую платформу материалов на основе пены, которая решила бы две крупные проблемы существующих материалов.

Белые упаковочные материалы, плёнки и покрытия часто зависят от диоксида титана (TiO₂), который обеспечивает как яркость, так и непрозрачность. Однако недавние проблемы безопасности побудили Европейский союз запретить диоксид титана в качестве пищевой добавки. Другая широко используемая группа химикатов, известная как PFAS, помогает материалам отталкивать воду и масло. Эти фторированные вещества всё чаще подвергаются критике, поскольку они могут сохраняться в окружающей среде и могут представлять экологические и медицинские риски.

Метод производства на основе физической структуры

Исследователи подошли к обеим проблемам, сосредоточившись на физической структуре, а не на добавляемых химикатах. Они разработали тщательно контролируемые пористые материалы, которые имитируют способ рассеивания света естественными пенами, а также вдохновлены водоотталкивающими поверхностями, найденными на листьях и лепестках цветов.

Производственный метод относительно прост. Сначала полимер подвергается воздействию света, который разбивает полимер на более мелкие молекулярные фрагменты. Затем материал обрабатывается мягким растворителем, который взаимодействует с этими фрагментами и вызывает набухание полимера. По мере расширения материала развивается открытая сеть микроскопических пор. Это единственное преобразование придаёт материалу два полезных свойства.

Двойная функциональность материала

Внутри материала пористая структура настолько эффективно рассеивает свет, что он выглядит интенсивно белым без каких-либо добавленных пигментов. На поверхности пена развивает чрезвычайно шероховатую текстуру, которая сильно отталкивает воду, подобно поверхности листа лотоса. В сотрудничестве с текстильными исследователями Университета Дунхуа исследователи продемонстрировали, что метод работает не только на печатных полимерных плёнках, но может быть применён и к тканям.

Практическое применение и преимущества

Процесс не зависит от разработки совершенно новых специальных химикатов. Исследователи уже продемонстрировали метод, используя несколько коммерчески доступных полимеров. Полученная платформа печатных материалов может достичь ультравысокого разрешения (20 000 DPI) и одновременно сочетает структурную белизну с функциональностью управления водой без диоксида титана и без PFAS. Такой подход может создать новые возможности для более лёгких материалов, одновременно снижая зависимость от добываемых минеральных пигментов и стойких фторированных химикатов.

Вместо добавления пигментов для создания цвета или нанесения стойких химических покрытий для контроля взаимодействия поверхностей с водой исследователи встраивают эти свойства непосредственно в физическую структуру материала. Используя микроскопическую архитектуру для контроля света и воды, технология предлагает принципиально иной и потенциально более устойчивый подход к проектированию повседневных материалов.