Em um novo relatório agora publicado sobre Avanços na ciência , Paulo H. Michels-Brito, e uma equipe de pesquisadores em física, química inorgânica e físico-química na Alemanha e na Noruega, mostraram como a coloração estrutural brilhante sem iridescência pode ser facilmente e rapidamente alcançada a partir de nanofolhas bidimensionais de argila mineral.
As cores estruturais podem se originar de soluções de nanofolhas de minerais de argila através da interferência construtiva da luz após reflexão e espalhamento de nanoestruturas com periodicidade comparável aos comprimentos de onda da luz visível. Os cientistas melhoraram enormemente o brilho usando nanofolhas duplas de argila para otimizar o índice de refração da argila que pode dificultar a coloração estrutural de tais sistemas.

Variando a concentração de argila e a força iônica, as cores estruturais podem ser reguladas de forma precisa e reproduzível para obter prontamente não iridescência. Essas nanofolhas de design de argila podem ser incorporadas em matrizes sólidas recicláveis ​​para fornecer simultaneamente cores vivas e ajustáveis, resistência mecânica e estabilidade para abrir uma região anteriormente desconhecida para cores sustentáveis.

Coloração estrutural na natureza e no laboratório

As cores estruturais resultam de ondas fotônicas que interferem construtivamente após reflexão e espalhamento de nanoestruturas com distâncias comparáveis ​​aos comprimentos de onda da luz visível. O mecanismo de coloração estrutural é fundamentalmente diferente da absorbância de corantes ou pigmentos. Por exemplo, com cores estruturais o material pode ser semitransparente, onde o espectro de cores pode ser ajustado ajustando as nanoestruturas.

Este mecanismo pode ser combinado com pigmentos escuros que absorvem a luz, conforme observado com os principais mecanismos de coloração biológica observados na natureza; em aves, animais marinhos, alguns mamíferos, insetos e certas plantas. O conceito de coloração estrutural também despertou enorme interesse nos setores industriais, incluindo cosméticos fotônicos da L'Oréal e Morphotex para representar designs bioinspirados.

No entanto, a abundância e o tempo necessário para fabricar o conceito são as principais limitações para aplicações industriais de alto nível. A coloração estrutural depende da iridescência, por exemplo, as penas de pássaros azuis e borboletas podem ser imitadas usando partículas coloidais. Neste trabalho, Michels-Brito et al. desenvolveram um método para produzir cores estruturais a partir de camadas duplas de argila nemática (DBLs). A equipe escolheu a fluorohectorita de sódio sintética (Na-FHt) – um mineral de argila sintética com qualidade superior em relação à homogeneidade estrutural, distribuição de carga estreita e uma grande proporção de aspecto, que a equipe caracterizou como propriedades dos materiais.

As experiências

Os pesquisadores ajustaram a proporção Na-FHt para água e as separações de nanofolhas com base na faixa de comprimento de onda da luz visível, onde as pilhas de Bragg fotônicas que cobrem todo o espectro de cores podem ser produzidas com rapidez e facilidade. As camadas únicas suspensas deram origem a cores suaves e brilhantes. No entanto, a equipe pode melhorar o brilho e a não iridiscência das cores estruturais aplicando camadas duplas (DBLs) de duas camadas únicas suspensas presas juntas.

Como análogo biomimético direto desse mecanismo, Michels-Brito et al. comparou as lulas Loliginid, devido à sua capacidade de ajustar suas cores estruturais por meio de mudanças osmóticas. A coloração estrutural das DBLs (camadas duplas) contou com uma forte repulsão eletrostática entre nanofolhas de argila cofaciais (semelhantes a lego) para separá-las em várias distâncias simplesmente adicionando a quantidade certa de água e escolhendo o comprimento de onda que interfere construtivamente.

Os cientistas descreveram a interferência construtiva da luz branca de nanofolhas individuais usando a Lei de Bragg-Snell. Assim, a cor observada dependeu da distância da camada e do ângulo de observação (iridescência). A equipe regulou a separação de nanofolhas ajustando a concentração de argila em suspensões em cubetas de quartzo planas com um comprimento de caminho de 1 mm para mostrar a possibilidade de ajustar rapidamente as cores estruturais adicionando água à solução.

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Otimização da técnica para aplicações industriais

A dupla camada apresentou duas mudanças de cor estrutural diferentes, onde o índice de refração efetivo pode ser determinado usando espalhamento de raios-X de pequeno ângulo e dados de espectrofotômetro reflexivo. Como as interações eletrostáticas governavam a separação das nanofolhas, as cores podiam ser ajustadas variando a força iônica.

Por exemplo, ao aumentar a força iônica de uma solução de dupla camada vermelha, a equipe poderia mudar para azul a cor estrutural devido à diminuição da separação de nanofolhas, devido ao aumento da triagem eletrostática. Durante o estudo, todas as amostras apareceram inesperadamente não iridescentes aos olhos. Após uma inspeção minuciosa, eles notaram pequenas diferenças no brilho das cores com base no ângulo de visão. A não-iridescência das soluções de argila nemática resultou de uma combinação de distúrbios locais relativos à flexão e enrugamento das nanofolhas, e organização turboestrática no plano das nanofolhas.

Michels-Brito et al. estudaram as amostras em cuvetes de quartzo de espaço fixo, onde amostras seladas que ficaram 'sobre a mesa' por mais de quatro a cinco dias mostraram alguma iridescência. Para as amostras preparadas em soro fisiológico, tais tempos de degradação foram menores na ordem de dois dias devido à sedimentação das soluções, que modificou as cores. A equipe recuperou rapidamente as cores agitando suavemente as cubetas. Esses prazos de dois a cinco dias forneceram lacunas suficientes para fixar a natureza não iridiscente das cores estruturais em uma matriz transparente para o processamento industrial rolo a rolo subsequente para fabricação de pigmentos. Os filmes podem ser reduzidos em espessura abaixo de 1 mm para formar cores em soluções de 200 µm de espessura.

Perspectivas

Desta forma Paulo H. Michels-Brito et al. apresentou um sistema responsável pela sustentabilidade e abundância de minerais argilosos para aplicações de alta escala em várias áreas, desde pigmentos em cosméticos até saúde, além de janelas e azulejos. Os resultados deste estudo sobre argila sintética podem ser transferidos para argilas naturais, onde a vermiculita se apresenta como a candidata mais adequada para aprimorar o conceito.

A equipe prevê a inclusão de nanofolhas de argila esfoliada em pequenas quantidades em matrizes poliméricas, incluindo biopolímeros biodegradáveis ​​e matrizes de hidrogel para aprimoramento estrutural para ajustar a resistência mecânica e a estabilidade dos compósitos resultantes. Os resultados têm alto impacto em aplicações de cosméticos e cuidados pessoais para formar fórmulas mais sustentáveis ​​e recicláveis, para atingir também os objetivos de uma economia circular. + Explorar mais

Cores estruturais, sem brilho

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