Uma nova maneira de criar cores usa a dispersão da luz em comprimentos de onda específicos em torno de minúsculos cristais de silício quase perfeitamente redondos. Este desenvolvimento da Universidade de Kobe permite cores estruturais sem desbotamento que não dependem do ângulo de visão e podem ser impressas. O material tem baixo impacto ambiental e biológico e pode ser aplicado em camadas extremamente finas, prometendo melhorias significativas de peso em relação às tintas convencionais.

Um objeto tem cor quando a luz de um comprimento de onda específico é refletida. Com os pigmentos tradicionais, isso acontece porque as moléculas absorvem outras cores da luz branca, mas com o tempo essa interação faz com que as moléculas se degradem e a cor desapareça.

As cores estruturais, por outro lado, geralmente surgem quando a luz é refletida a partir de nanoestruturas paralelas separadas na distância certa, de modo que apenas a luz de certos comprimentos de onda sobreviverá, enquanto outras são canceladas, refletindo apenas a cor que vemos.

Esse fenômeno pode ser observado em asas de borboletas ou penas de pavões, e tem a vantagem de não degradar as cores. Mas do ponto de vista industrial, nanoestruturas bem organizadas não podem ser pintadas ou impressas facilmente, e a cor depende do ângulo de visão, tornando o material iridescente.

Os engenheiros de materiais da Universidade de Kobe, Fujii Minoru e Sugimoto Hiroshi, têm desenvolvido uma abordagem totalmente nova para a produção de cores.

Eles explicam:"Em trabalhos anteriores desde 2020, fomos os primeiros a alcançar o controle preciso do tamanho das partículas e desenvolver suspensões coloidais de nanopartículas de silício esféricas e cristalinas. Essas nanopartículas de silício únicas espalham a luz em cores brilhantes pelo fenômeno de 'ressonância de Mie', que nos permite desenvolver tintas coloridas estruturais."

Com a ressonância de Mie, partículas esféricas de tamanho comparável ao comprimento de onda da luz refletem comprimentos de onda específicos de maneira particularmente forte. Isto significa que a cor que retorna principalmente da suspensão pode ser controlada simplesmente variando o tamanho das partículas.

Em seu trabalho publicado na revista ACS Applied Nano Materials , Fujii e Sugimoto demonstram que a suspensão pode ser aplicada em superfícies e, assim, revestirá o material subjacente em uma forma de cor estrutural que não depende do ângulo de visão.

Isso ocorre porque a cor não é produzida pela interação da luz refletida de estruturas vizinhas, como acontece com as cores estruturais "tradicionais", mas por sua dispersão altamente eficiente em torno de nanoesferas individuais. Sugimoto explica outra vantagem:"Uma única camada de nanopartículas de silício esparsamente distribuídas com uma espessura de apenas 100-200 nanômetros mostra cores brilhantes, mas pesa menos de meio grama por metro quadrado. Isso torna nossas nanoesferas de silício uma das camadas de cores mais claras do mundo. mundo."

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A equipe da Universidade de Kobe usou simulações computacionais para explorar as propriedades da tinta em diferentes circunstâncias, como variando o tamanho das partículas e a distância entre elas, e depois confirmou seus resultados experimentalmente. Eles descobriram que, ao contrário da intuição, a refletância era mais alta quando as partículas individuais eram separadas, em vez de quando compactadas.

Os autores explicam:"Essa alta refletância, apesar da pequena cobertura da superfície pelas nanoesferas, é devida à grande eficiência de espalhamento. A exigência de uma quantidade muito pequena de cristais de silício para coloração é uma vantagem na aplicação como pigmento colorido."

Após mais desenvolvimento e refinamentos, eles esperam aplicações interessantes de sua tecnologia. Sugimoto explica:"Podemos aplicá-lo ao revestimento de, por exemplo, aviões. Os pigmentos e revestimentos de um avião pesam várias centenas de quilogramas. Se usarmos nossa tinta à base de nanosferas, poderemos reduzir o peso para menos de 10% disso."

Mais informações: Monocamada de nanoesferas de silício ressonantes de Mie para coloração estrutural, Nanomateriais aplicados ACS (2024). DOI:10.1021/acsanm.3c04689
Fornecido pela Universidade de Kobe