Hackmanita mineral natural demonstra capacidade de mudança de cor altamente repetível

Hackmanite fica roxo sob irradiação UV, e a cor volta ao branco em alguns minutos sob luz branca regular. Esta amostra é da Groenlândia. Crédito:Mika Lastusaari

Ao investigar o hackmanite, os pesquisadores descobriram que ele pode mudar de cor após a exposição à radiação UV repetidamente sem se desgastar. Os resultados mostram que o hackmanite de baixo custo, que é fácil de sintetizar, também possui alta durabilidade e múltiplas aplicações.
Um grupo de pesquisa da Universidade de Turku, na Finlândia, vem investigando e desenvolvendo as propriedades do hackmanita há quase uma década. Aplicativos como monitoramento UV pessoal e imagens de raios-X foram desenvolvidos com base na capacidade do hackmanite de mudar de cor.

Hackmanite muda sua cor de branco para roxo sob irradiação UV e, eventualmente, reverte para branco se nenhum UV estiver presente. As características estruturais que permitem essas mudanças repetidas até agora não são claras. Agora, ao investigar três minerais naturais – hackmanita, tugtupita e escapolita – os pesquisadores encontraram a resposta.

Esses minerais que mudam de cor são materiais naturais inorgânicos, mas também existem compostos orgânicos, hidrocarbonetos, que podem mudar de cor de forma reversível devido à exposição à radiação. Esses hidrocarbonetos, no entanto, só podem mudar de cor algumas vezes antes que sua estrutura molecular se desfaça. Isso ocorre porque a mudança de cor envolve uma mudança drástica na estrutura, e sofrer essa mudança repetidamente acaba quebrando a molécula.

"Nesta pesquisa, descobrimos pela primeira vez que também há uma mudança estrutural envolvida no processo de mudança de cor. Quando a cor muda, os átomos de sódio na estrutura se movem relativamente longe de seus locais habituais e depois retornam Isso pode ser chamado de 'respiração estrutural' e não destrói a estrutura, mesmo que seja repetido um grande número de vezes", relata o professor Mika Lastusaari, do Departamento de Química da Universidade de Turku, na Finlândia.

A escapolita branca fica azul sob irradiação UV. A coloração e a reversão ao branco após a remoção da fonte UV levam apenas alguns segundos, porque os átomos da estrutura se movem a curtas distâncias. A escapolita é um mineral bastante comum. Esta amostra é do Afeganistão. Crédito:Sami Vuori

Pesquisadores provaram que a capacidade do hackmanite de alternar entre as formas branca e roxa é altamente repetível

De acordo com o professor Lastusaari, a durabilidade se deve à forte estrutura tridimensional em forma de gaiola desses minerais, que é semelhante à encontrada em zeólitas. Em detergentes, por exemplo, a estrutura em forma de gaiola permite que o zeólito remova magnésio e cálcio da água, ligando-os firmemente dentro dos poros da gaiola.

“Nesses minerais que mudam de cor, todos os processos associados à mudança de cor ocorrem dentro dos poros da gaiola zeolítica onde residem os átomos de sódio e cloro. intact. This is why minerals can change color and revert back to their original color practically indefinitely," Doctoral Researcher Sami Vuori explains.

Previously, it has been known that scapolite changes color much faster than hackmanite, whereas tugtupite's changes are much slower.

"Based on the results of this work, we found out that the speed of the color change correlates with the distance that the sodium atoms move. These observations are important for future material development, because now we know what is required from the host structure to allow the control and tailoring of the color change properties," says Doctoral Researcher Hannah Byron.

"There were no characterization methods available for the research on color changing minerals, which is why we have developed new methods by ourselves. However, it is difficult to interpret the results unambiguously based on experimental data alone. In fact, we could not have reached the present conclusions without strong support from theoretical calculations, since only the combination of experimental and computational data shows the whole picture. We owe a great many thanks to our collaborator Professor Tangui Le Bahers and his group, who have developed and advanced suitable computational methods to such detail and accuracy that would not have been possible just a few years ago," says Lastusaari.

Tugtupite is a rare mineral, which turns pink when exposed to UV radiation. The return back to white takes several hours, because it requires large atomic movements. This sample is from Greenland. Credit:Sami Vuori

Hackmanite has amazing potential for applications

The Intelligent Materials Research Group at the Department of Chemistry of the University of Turku, led by Lastusaari, has long conducted pioneering research on materials with light and color-related properties, especially on hackmanite. They are currently exploring numerous applications for hackmanite, such as possibly replacing LEDs and other light bulbs with the natural mineral and using it in X-ray imaging.

One of the most interesting avenues that the researchers are currently exploring is a hackmanite-based dosimeter and passive detectors for the International Space Station, intended to be used to measure the radiation dose uptake of materials during space flights.

"The strength of hackmanite's color depends on how much UV radiation it is exposed to, which means that the material can be used, for example, to determine the UV index of Sun's radiation. The hackmanite that will be tested on the space station will be used in a similar fashion, but this property can also be used in everyday applications. We have for example already developed a mobile phone application for measuring UV radiation that can be used by anyone," explains Sami Vuori.

The paper was published in June in the PNAS Diário. + Explorar mais