КРИЛА МЕТЕЛИКА: як вченим вдалося створити надлегку фарбу
Галина Бардашевська. Метелик, 2022 / Facebook, «Сіль-соль»
Важко уявити світ без фарб. Колір — основна складова нашого сприйняття світу. Фарби природи настільки незбагненні, що ніякою еволюцією не поясниш такого кольорового розмаїття. Достатньо подивитися на крила метелика, щоби переконатися — без божественного втручання у процес розмальовки тут не обійшлося.
І коли вчені дотримуються природних закономірностей фарбування світу — вони підходять до революційних відкриттів. Про один із таких технологічних проривів і піде сьогодні мова.
КОРОТКА ІСТОРІЯ ФАРБИ
Фарби, як риси обличчя, йдуть за зміною емоцій
Пабло Пікассо
Історія фарб веде початок із глибокої давнини. Точно невідомо, коли вперше наші предки здогадалися розтерти яскраві мінерали на порошок і отримати первісний барвник. Швидше за все, вони використовували ці субстанції для наскального розпису та ритуальних малюнків, але з розвитком цивілізації розширювалися способи застосування фарб, а також удосконалювалися методи їх виготовлення.
Наприклад, у Стародавньому Єгипті вперше почали використовувати синій пігмент для приготування фарби. Однак його витягали з досить рідкісного матеріалу — лазуриту, через що синя фарба вважалася неймовірно цінною. Цим кольором оздоблювали гробниці фараонів, а також зображували священний символ єгиптян — жука-скарабея. Особливість цієї фарби полягала в тому, що вона була неймовірно стійкою і навіть до наших часів змогла зберегти свою яскравість майже не втративши у кольорі.
Але висока ціна мінералу не дозволяла використовувати його для виготовлення фарби у повсякденному житті, і довгий час синій колір не був доступним для звичайних людей.
Однак кардинальні зміни почалися у XVIII столітті, коли німецький хімік Йоганн Якоб Дісбах зміг уперше синтезувати синій пігмент, більш відомий як «берлінська лазур». Через сто років у Франції з’явилася «кобальтова синька» — яскравіша версія «берлінської лазурі».
Винахід ідеального аналога натуральної блакитної фарби стало кульмінацією діяльності вчених і позначило переворот у масовому виробництві барвників.
Минуло багато років, але технологія та методи виготовлення фарби майже не змінилися. Однією зі складових її частин завжди були органічні та неорганічні пігменти. У сучасному виробництві для створення цих пігментів у різних кольорах та відтінках використовуються оксиди металів. Після змішування з розчинниками, смолою та іншими сполучними речовинами з’являється фінальний продукт — фарба того чи іншого кольору, залежно від вибраного металу.
Однак у такого виробництва є серйозна вада. Для виготовлення кожного окремого кольору необхідно підбирати певний матеріал, і немає якоїсь універсальної речовини, за допомогою якої можна було б зробити фарбу потрібного нам відтінку.
Але американським ученим із Університету Центральної Флориди вдалося опанувати унікальну технологію: вони змогли створити нову надлегку фарбу, яку назвали плазмонною.
ПЛАЗМОННА ФАРБА
І найвища для мене насолода — будь-який куточок землі, де я можу бути в товаристві метеликів. Ось це — блаженство, і за блаженством цим є щось, що не зовсім піддається визначенню. Це начебто якась миттєва фізична порожнеча, куди прагне, аби заповнити її, все, що я люблю у світі
Володимир Набоков
Натхненням для винаходу нового різновиду фарби послужила фізіологія крил метеликів, краса і кольорові візерунки яких є предметом захоплення не лише колекціонерів, але й пересічних обивателів. Крила комах такі яскраві та барвисті завдяки наноструктурам, що лежать в основі їх волокон, які не містять колірного пігменту, а лише відображають світло певним чином, створюючи без барвника цілу кольорову мозаїку.
Вчені вивчили, як природа створює такі барвисті та насичені кольори, не використовуючи жодних пігментів, а Дебашис Чанда, керівник проєкту, заявив:
«Діапазон кольорів та відтінків у світі природи вражаючий — від барвистих квітів, птахів та метеликів до підводних істот, таких як риби та головоногі молюски. Структурний колір служить основним механізмом генерації відтінку у кількох надзвичайно яскравих видів, де геометричне розташування двох безбарвних матеріалів дає всі кольори. З іншого боку, при використанні штучного пігменту для кожного кольору потрібні нові молекули».
При створенні плазмонної фарби немає необхідності використовувати пігмент — замість нього беруть безбарвний алюміній та оксид алюмінію. Однак чарівність цієї інновації криється в отриманні певного кольору. Світло при взаємодії з різною геометричною структурою матеріалу утворює різні відтінки, і після додавання додаткових елементів створюється кінцевий продукт — фарба потрібного нам кольору.
Простіше кажучи, плазмова фарба використовує не звичайний спосіб створення кольору, а природний механізм, подібний до механізму метелика, за якого молекулярні структури створюють приголомшливу палітру кольорів.
Ця технологія має цілу низку переваг у порівнянні зі звичайною фарбою. Насамперед для покриття будь-якої поверхні потрібно набагато менше плазмонної фарби, ніж звичайної.
Наприклад, для фарбування літака Boeing 747 достатньо буде витратити всього лише 1,3 кг плазмонної фарби, тоді як звичайної потрібно близько півтонни! Що вже казати про покриття стін невеликого будинку, де замість кількох величезних залізних банок знадобиться не більше одного тюбика нового типу фарби.
І на цьому зиск від використання нової фарби не закінчується.
ПЕРЕВАГИ НОВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
У тебе всього одна фарба, але ти можеш висловити все що завгодно
Анна Гавальда
Справа в тому, що метод виробництва плазмонної фарби в рази екологічніший. Як згадувалося раніше, для виготовлення звичайної фарби потрібні оксиди металів, а їх виробництво сильно забруднює навколишнє середовище, тоді як нова технологія не потребує їх зовсім.
Ще однією перевагою є здатність нового барвника залишатися яскравим набагато довше від звичайного через те, що плазмонні матеріали відображають весь інфрачервоний спектр, пофарбована поверхня залишається значно холоднішою за стандартну фарбу і тому не вицвітає.
Проте, як і більшість сучасних технологій, виробництво нового виду фарби на початковому етапі потребує багато витрат. На сьогоднішній день плазмонна фарба подібна до синього барвника у Стародавньому Єгипті — виготовлення її дуже дороге, а використовується барвник тільки в особливих випадках.
Залишається сподіватися, що нам не доведеться чекати тисячі років, аби знайти спосіб зменшити кінцеву вартість продукту і почати масове виробництво нового винаходу.
А поки що нам під силу насолодитися кольором поезії великого іспанського поета Рафаеля Альберті:
«Фарби мріяли. О, як давно,
як давно це було!
Роза потай поспішала,
зісковзнувши по грудях, обернутися принадною ляжкою,
жовтий колір — золотою кучеряшкою,
жовтою трояндою — волосся перевитого хвиля.
А індиго хотіла струїтися вздовж тіла,
де коліна росою окроплювала б вона.
Сріблом розцвіла б маслина,
кров карміну влилась би в гвоздикові вина.
Ну, а чорний — він помер чи спить?
Виспівує лазуровий зеніт,
і під листяним покровом
відгукується світло зі смарагдово-ліловою тінню.
Але дзвінкіше вермільйона ніщо не дзвенить:
він співає на прибережному піску,
задом догори пливе рікою
чи під сонцем спиною дзеркалиться голою,
ніжно-рожевий, світлий, веселий,
слід від ніжки, що прим’яла біля стінки траву,
яскравість неба,
життя, що кипить у нас і навколо нас,
щоб твоє не зіпсоване містом око
бачило кобальт у зефірі, що клонить листя,
бачило чорну волосся синь,
перламутровість шкіри пестило наяву,
фіолетовість у зелені травня,
яблук рожевість, тінь від куща та листа,
свіжість лілій у тіні, де, грішна й чиста,
випаровується алістю троянд нагота.
Так, любов’ю на життя відповідаючи,
живописець, у букети квітів
усієї палітри оркестр завернути ти готовий,
купи троянд витрачаючи».
