Кремниевые наносферы создают яркий цвет, который не выцветает и не меняется под углом

Традиционные краски требуют толстых слоёв пигмента, которые со временем выцветают под воздействием света и значительно утяжеляют изделие. «Цветные покрытия должны обеспечивать яркий цвет, яркость, глянец и долгосрочную долговечность, но ни одна существующая технология не удовлетворяет всем этим требованиям одновременно», — объясняет Сугимото.

Структурный цвет вместо пигмента

Новый подход основан на структурном цвете — явлении, которое встречается в природе, например у павлинов. В отличие от органических пигментов, структурный цвет не подвергается фотовыцветанию. Однако у этого метода были два недостатка: цвет менялся в зависимости от угла обзора (иридесценция), и структурные массивы были несовместимы с защитными слоями.

Решение: наносферы в кремнёземных оболочках

Сугимото ранее разработал кремниевые наносферы для создания структурного цвета, независимого от угла обзора, а его группа недавно достигла возможности печати этой технологии методом струйной печати. Ключевое открытие пришло неожиданно: «Упаковка наносфер в кремнёземные оболочки не только защищает частицы, но и контролирует их расстояние, что должно улучшить самосборку в аккуратные массивы», — объясняет Сугимото. Это снижает диффузное отражение света, придавая цвету глянец.

Результаты исследования

Статья, опубликованная в журнале Small Structures, демонстрирует, что команда достигла глянцевого, неиридесцентного покрытия со структурным цветом для трёхмерных объектов. Важно, что добавление защитного слоя не привело к значительному изменению оттенка. «Самый захватывающий аспект этой работы — то, что мы демонстрируем глянцевые, неиридесцентные и защищённые структурные цветные покрытия для трёхмерных объектов в единой платформе, что делает технологию полезной для реальных приложений», — подчёркивает Сугимoto.

Экономия веса и ресурсов

Покрытия исключительно лёгкие: высокая непрозрачность и яркость достигаются всего одним слоем кремниевых наносфер. По расчётам Сугимото, если применить эту технологию к широкофюзеляжным авиалайнерам, вес покрытий можно сократить с нескольких сотен килограммов до нескольких сотен граммов — менее чем литр молока на весь самолёт. Материалы для производства — кремний (нетоксичный, получаемый из полупроводниковой промышленности) и кремнезём (один из самых распространённых материалов земной коры) — делают технологию экологичной.

Путь к промышленному применению

Сугимото участвует в создании компании для масштабирования производства. Процесс совместим с масштабируемыми методами нанесения покрытий: распылением, щелевым нанесением и рулонной обработкой. Учёный также видит потенциал за пределами цветных покрытий: «Мы хотим расширить возможные приложения науки, лежащей в основе нашей технологии, за пределы окраски. В будущем мы планируем разработать многофункциональные покрытия из кремниевых наночастиц, которые сочетают структурную окраску с дополнительными оптическими функциями, такими как сенсорика, фотокатализ и управление энергией».

Это данные исследования, а не медицинский совет.