Кацусика Хокусай, «Большая волна в Канагаве»
Такой эффект называют структурной белизной — когда цвет (или, в данном случае, его отсутствие) создается не пигментом, а особым микростроением материала. Этот же принцип можно встретить повсюду в природе. Морской прибой, облака, снег кажутся нам белыми, потому что их пористая структура чрезвычайно эффективно рассеивает видимый свет. Подобные «воздушные» структуры встречаются в растительных тканях и даже в пенистых гнездах некоторых видов лягушек: там почти один воздух, но мы видим чистую белизну, без всяких красителей.
Именно это природное свойство вдохновило команду ученых во главе с профессором Исэном Сиванияхом из Института интегрированных исследований клетки и материалов Киотского университета (iCeMS) на разработку технологии создания пеноматериалов, которая поможет решить сразу две крупные проблемы современной индустрии.
Сегодня белизна и непрозрачность упаковок, пленок и покрытий часто обеспечиваются диоксидом титана (TiO₂). Этот пигмент дает яркий белый цвет, но его безопасность вызывает вопросы: Европейский союз уже запретил диоксид титана как пищевую добавку. Другая группа повсеместно используемых веществ — фторсодержащие ПФАС‑соединения, с помощью которых материалы делают водо‑ и жироотталкивающими. Эти «вечные химикаты» практически не разлагаются в окружающей среде и вызывают растущие экологические и медицинские опасения.
Снег — яркий пример структурной белизны.Авторы новой разработки пошли другим путем: не добавлять новые вещества, а изменить физическую структуру самих материалов. Они разработали контролируемо пористые полимеры, которые одновременно имитируют оптические свойства природных пен и водоотталкивающие поверхности листьев и лепестков. «Ключевая задача биомиметики — сделать вдохновленные природой, экологичные материалы по масштабу и стоимости сопоставимыми с существующими», — отмечает соавтор работы, доцент Тайки Янагисима.
Технология, получившая название «глубокая пенофотолитография» (Deep Foam Photolithography, DFP), выглядит неожиданно простой. Сначала полимер облучают светом, который разбивает длинные макромолекулы на более мелкие фрагменты. Затем материал обрабатывают мягким растворителем: он взаимодействует с этими фрагментами, и полимер начинает разбухать. При этом внутри формируется разветвленная сеть микропор.
Одна и та же трансформация дает сразу два эффекта. В толще материала пористая структура начинает сильно рассеивать свет — благодаря этому поверхность выглядит ярко‑белой безо всякого пигмента. А на границе с воздухом образуется крайне шероховатый рельеф, который резко повышает контактный угол капель и делает поверхность сильно гидрофобной, подобно листу лотоса.
Биомиметические структуры преобразуют свет в цвет.В сотрудничестве с текстильными специалистами Университета Дунхуа ученые показали, что метод работает не только с печатными полимерными пленками, но и с тканями. При этом не нужны какие‑то экзотические мономеры: DFP уже показал свои возможности на нескольких коммерчески доступных полимерах. Технология позволяет создавать печатные структуры с ультравысоким разрешением — до 20 000 DPI — совмещая структурную белизну и водоотталкивающие свойства без диоксида титана и без ПФАС.
Разработка ученых позволит создавать более легкие и экологичные материалы: вместо того чтобы добавлять пигменты и наносить устойчивые химические покрытия, нужные свойства «вшиваются» в микроструктуру самого вещества. Это принципиально иная, более устойчивая стратегия проектирования повседневных материалов, где функция задается не столько химическим составом, сколько тем, как устроено вещество на микроскопическом уровне.
Ранее специалисты научились делать женские сумочки из грибов.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
