Naturens farger kan erstatte giftig maling
Fargestoffer er ofte giftige. Med nanoteknologi og naturens egen metode kan forskere finne effektive måter å lage ugiftige, resirkulerbare og bærekraftige farger på isteden.
Fargestoffer som mennesker lager, inneholder ofte stoffer som er skadelige for miljøet. Men i framtida trenger det ikke være sånn.
Fargen vi ser i maling er den delen av lysspekteret som materialet ikke absorberer. Materialet avgjør altså fargen. Foto: Colourbox
– Vi hermer etter vanlige fargemekanismer i naturen, sier professor Jon Otto Fossum ved Institutt for fysikk ved NTNU.
Han og andre fra forskningsgruppen har funnet en praktisk og billig metode for å produsere farger som ikke slipper ut giftstoffer. De jobbet sammen med en forskningsgruppe ved Universität Bayreuth i Tyskland. Attpåtil kan disse fargene være både resirkulerbare og bærekraftige.
Til dette tar de i bruk nanoteknologi, der de manipulerer materialer helt ned på atomnivå.
Arbeidet ble først presentert under postdoktor Paulo Michels Britos PhD-disputas. Nå blir resultatene publisert i Science Advances.
Naturens farger ofte annerledes
Når huset ditt eller bilen din har fått en farge, er det gjerne maling, beis eller lakk som er brukt. Hvilken farge huset eller bilen får er helt avhengig av materialet i malingen eller lakken. For fargen vi ser er den delen av lysspekteret som materialet ikke absorberer.
Men naturens måte å lage farger på er oftest helt annerledes.
Fugler, fisker, insekter, noen planter og bær, såpebobler, regnbuen og så videre har farger som er basert på delvis refleksjon av lysbølger. Foto: Colourbox
– Fugler, fisker, insekter, noen planter og bær, såpebobler, regnbuen og så videre har farger som er basert på delvis refleksjon av lysbølger, sier professor Fossum.
Det vi ser er lys som reflekteres i nanotynne strukturer i materialet. Lyset som reflekteres i de ulike lagene forsterker hverandre gjennom det som kalles «konstruktiv interferens». Dette skaper det vi ser som farger.
For å herme etter denne måten å lage farger, har de smarte hodene ved Institutt for fysikk brukt nanotynne lag fra et tilsynelatende ydmykt materiale.
Leire.
Nanotynne ark av leire
– Folk flest tenker jo ikke på leire som gjennomsiktig. Men om vi isolerer nanotynne ark av leire eller for eksempel grafén, er de så å si helt gjennomsiktige. De reflekterer ikke lys, og er fargeløse, sier professor Fossum.
Men forskerne ved NTNU får frem farger ved å kombinere to slike gjennomsiktige leireark og putte et ekstra stoff imellom.
– Vi kan gjøre nanoark av leire mindre gjennomsiktige ved å lage og bruke et dobbelt, nanotynt lag med et element til imellom dem. I dette eksempelet har vi brukt grunnstoffet cesium, men andre stoffer kan også brukes, sier professor Fossum.
De doble nanotynne leirelagene kaller forskerne DBL («Double Layers»). Doble leirelag er fremdeles delvis gjennomsiktige, men reflekterer litt lys som kan gi farge.
Avstanden mellom lagene avgjør fargen
– Mekanismen vi jobber med kalles «strukturelle farger» fordi det er nanostrukturen, og ikke det spesifikke materialet, som gir opphav til fargene, sier professor Fossum.
Derfor kalles strukturelle farger også ofte «fysiske farger». Tradisjonelle pigmenter kalles ofte «kjemiske farger».
Materialet har egenskaper på nanonivå som gjør det mulig å reflektere lys fra forskjellige dybder i strukturen. Det igjen kan gi ulike farger fordi lysbølgene som reflekteres fra de ulike lagene blir kombinert og forsterker hverandre på den samme måten som vi ser i for eksempel såpebobler eller i regnbuen.
– Det er avstanden mellom de doble leirelagene som gir fargen vi ser. Avstanden kan vi regulere ved hjelp av konsentrasjon av leiren eller saltinnholdet i materialet som leiren befinner seg i, for eksempel vann, forklarer professor Fossum.
I dette eksempelet er vannet den såkalte «matrisen» til leirelagene. Denne matrisen er helt nødt til å være gjennomsiktig, fordi det er de doble leirelagene som gir refleksjon og opphav til fargene.
Forskerne ved NTNU får frem farger ved å kombinere to gjennomsiktige leireark og putte et ekstra stoff imellom. Avstanden mellom de doble leirelagene gir fargen vi ser. Denne avstanden kan vi regulere ved hjelp av konsentrasjon av leiren eller saltinnholdet i materialet som leiren befinner seg i, for eksempel vann. Illustrasjon: Tilpasset etter en versjon i Science Advances
Komplekse materialer
– Fra et grunnforskningsperspektiv er dette systemet et skoleeksempel på hva vi mener med kompleksitet og herunder selvorganisering i komplekse materialer, sier professor Fossum.
Nobelprisen i fysikk for 2021 ble gitt til folk som forsker på komplekse systemer.
– Et komplekst system er bygget opp av flere komponenter som sammen bidrar til ønsket funksjonalitet, i dette tilfellet farger, sier Fossum.
Fargene i seg selv kommer fra leirelagene, mens matrisen holder det hele på plass. Resultatet blir mer enn bare summen av komponentene, fordi de er selvorganisert på en spesiell måte på nanoskala, sier professor Fossum.
- Les også: Nobelpris for å finne orden i kaoset
Miljøvennlig istedenfor giftig
Alt dette kan endre mye, og gi langt mer miljøvennlig farging av mange produkter på mange områder.
Naturens metode kan gi langt mer miljøvennlig farging av mange produkter på mange områder. Foto: Colourbox
– Kjemiske pigmenter er ofte giftige, mens fysiske farger kan produseres fra hva som helst som er nesten gjennomsiktig, sier Fossum.
Det gjelder for eksempel materialer som er ufarlige og bærekraftige, som leire i vann.
– Vi vil også bruke bærekraftige polymerer, biopolymerer eller andre alternativer som gjennomsiktige matrise, sier professor Fossum.
Polymerer er kjemiske forbindelser som er bygget opp av kjedeformede molekyler.
Ikke mye brukt – ennå
Den fysiske fargemekanismen er ikke mye brukt industrielt enda. Den kjemiske mekanismen dominerer.
– Grunnen er at vi ennå ikke har funnet en måte å fabrikkere strukturelle farger på som er rask, effektiv og industrielt praktisk, konstaterer Fossum.
Men det trenger ikke å fortsette sånn.
– Funnene våre åpner opp for mye mer utstrakt bruk av naturens måte å lage farger på, i stedet for den giftige og lite bærekraftige måten vi mennesker har brukt industrielt, sier professor Fossum.
Derfor er dette viktig, ikke bare i produksjon av maling eller lakk, men også i for eksempel kosmetikk, innpakning av mat og på flere andre områder.
Nå er metoden i ferd med å bli patentert i samarbeid med NTNU Technology Transfer (TTO).
Om du vil vite enda mer, kan du lese om både dette og mye annet på hjemmesidene til Soft and Complex Matter Lab, der Fossum og Michels-Brito jobber.
Referanse: Paulo H. Michels-Brito, Volodymyr Dudko, Daniel Wagner, Paul Markus, Georg Papastavrou, Leander Michels, Josef Breu, Jon Otto Fossum. Bright, non-iridescent structural coloration from clay mineral nanosheet suspensions, Science Advances, 26 Jan 2022 • Vol 8, Issue 4 • DOI: 10.1126/sciadv.abl8147
