Учёные создали впечатляющее лакокрасочное покрытие автомобильного качества, не используя ни одного пигмента
Новое покрытие на основе кремния способно значительно уменьшить вес окрашенных изделий и снизить их воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными лакокрасочными материалами.
Для получения глянцевого покрытия, сопоставимого по качеству с автомобильной покраской, больше не нужны пигменты. Исследователи из Университета Кобе разработали покрытие из кремниевых наночастиц, которое обеспечивает яркий и стойкий цвет, не выцветает со временем и — в отличие от многих традиционных технологий — сохраняет неизменный оттенок независимо от угла обзора.
В статье, опубликованной в журнале Small Structures, описывается технология, объединяющая ряд характеристик, которые ранее было сложно сочетать: регулируемый уровень глянца, стабильность цвета при разных углах обзора, совместимость с защитными покрытиями и возможность нанесения на крупные трехмерные объекты. Кроме того, эта технология позволяет существенно снизить вес окрашенных изделий, в том числе элементов летательных аппаратов.
Как цвет может существовать без пигментов
Традиционные краски содержат пигменты, которые поглощают одни длины волн света и отражают другие. Такие покрытия обычно наносятся довольно толстым слоем, что увеличивает вес изделия, а некоторые пигменты со временем разрушаются под воздействием солнечного света. Структурный цвет формируется иначе: он возникает в результате взаимодействия света с микроскопическими структурами — подобно тому, как это происходит в ярком оперении павлинов. Однако до сих пор для воспроизведения подобных эффектов в искусственных покрытиях требовалось создание строго упорядоченных структур, из-за чего цвет таких поверхностей менялся в зависимости от угла обзора.
«От лакокрасочных покрытий ожидают яркости, насыщенности, глянца и долговечности, но ни одна из существующих технологий не отвечает всем этим требованиям одновременно», — отмечает Хироси Сугимото, инженер по материалам из Университета Кобе. В ходе своих предыдущих исследований он установил, что кремниевые наносферы способны создавать структурный цвет без нежелательного изменения оттенка при смене угла обзора. Позднее его команда разработала метод нанесения этого материала с помощью струйной печати, однако поверхности, полученные таким способом, рассеивали свет слишком сильно, из-за чего добиться эффекта гладкого глянцевого покрытия не удавалось.
Создание глянцевого эффекта с помощью наночастиц
Исследователи решили эту проблему, поместив кремниевые наносферы в тонкие оболочки из диоксида кремния (кремнезема). Такие оболочки защищают частицы и регулируют расстояние между ними, способствуя их более упорядоченному расположению, что, в свою очередь, уменьшает рассеяние света. Благодаря такой структуре удается получить глянцевое покрытие, интенсивность блеска которого можно контролировать.
«Заключение наносфер в оболочки из диоксида кремния не только защищает сами частицы, но и позволяет управлять дистанцией между ними, что способствует их самоорганизации в аккуратные, упорядоченные структуры», — поясняет Сугимото.
Ученые продемонстрировали применение этого покрытия на крупных сложных трехмерных объектах и показали, что дополнительный защитный слой практически не меняет исходный цвет. Это позволяет преодолеть существенный недостаток предыдущих систем, основанных на структурном цвете: в них защитные покрытия зачастую нарушали оптические свойства материала.
«Самое интересное в этой работе то, что она объединяет в себе сразу несколько качеств: глянцевый эффект, отсутствие нежелательных переливов цвета (иридесценции) и наличие защитного слоя — и все это применимо к 3D-объектам. Это делает данную технологию по-настоящему полезной для практического использования», — отмечает Сугимото.
Покрытие, которое может весить всего несколько сотен граммов
Для достижения высокой непрозрачности и яркости достаточно всего одного слоя кремниевых наносфер. Столь тонкая структура дает колоссальное преимущество в плане веса по сравнению с традиционными красками. Покрытие широкофюзеляжного пассажирского самолета может весить несколько сотен килограммов, тогда как, по оценкам исследователей, аналогичный слой, основанный на структурном цвете, теоретически мог бы весить всего несколько сотен граммов. Впрочем, пока это лишь гипотетическое сравнение, а не реальный пример применения в авиации.
Кроме того, такие материалы могут быть более экологичными. Кремний можно получать как побочный продукт полупроводниковой промышленности, а диоксид кремния — одно из самых распространенных веществ в земной коре. Поскольку структурный цвет не зависит от органических пигментов, которые со временем разрушаются под воздействием света, такие покрытия могут быть более долговечными и реже требовать замены. Впрочем, реальный экологический эффект при промышленном масштабировании еще предстоит оценить.
От промышленных покрытий к новым оптическим технологиям
Сугимото участвует в создании компании, цель которой — вывести эту технологию на уровень промышленного производства. Процесс изготовления совместим с рядом уже существующих производственных методов, что потенциально позволяет наносить такие покрытия на поверхности очень большой площади. «Этот процесс совместим с масштабируемыми методами нанесения покрытий, такими как распыление, щелевое поли поливное нанесение (slot-die coating) и рулонная технология (roll-to-roll)», — поясняет Сугимото.
В долгосрочной перспективе исследовательская группа стремится выйти за рамки создания декоративных и защитных покрытий. Управляя оптическими свойствами кремниевых наночастиц, ученые надеются разработать покрытия, способные выполнять дополнительные функции: от фиксации изменений в окружающей среде до запуска фотохимических реакций и управления энергией.
«Мы хотим расширить сферу применения научных принципов, лежащих в основе нашей технологии, выйдя за пределы простого придания цвета. В будущем мы планируем создать многофункциональные покрытия на основе кремниевых наночастиц, которые объединят в себе структурную окраску с дополнительными оптическими возможностями — такими как сенсорные функции, фотокатализ и управление энергией».
