Дослідники з японського Університету Кобе розробили нове покриття на основі наночастинок кремнію, яке створює насичений колір без використання традиційних пігментів. Технологія дає змогу отримувати глянцеву поверхню зі стабільним відтінком, який не змінюється залежно від кута огляду. У майбутньому таке покриття може стати альтернативою звичайній фарбі для автомобілів, літаків та інших великих об’єктів.
Одна з головних переваг розробки — потенційно значно менша вага. За розрахунками авторів, покриття для широкофюзеляжного пасажирського літака могло б важити лише кілька сотень грамів замість сотень кілограмів традиційної фарби. Однак це поки теоретична оцінка, а не результат випробування на реальному літаку.
Як створити колір без пігментів
Звичайна фарба отримує колір завдяки пігментам, які поглинають одні довжини хвиль світла та відбивають інші. Такі покриття часто потребують відносно товстого шару матеріалу, додають вагу об’єктам і з часом можуть втрачати яскравість під дією сонячного випромінювання.
Японські науковці використали інший принцип — структурне забарвлення. У цьому випадку колір виникає не через пігменти, а внаслідок взаємодії світла з мікроскопічними структурами матеріалу. Подібний ефект можна побачити, наприклад, у яскравому забарвленні пір’я павичів.
Проте відтворити такий ефект у промисловому покритті непросто. У багатьох матеріалах структурний колір змінюється залежно від кута, під яким на поверхню дивиться людина. Крім того, попередні технології не завжди дозволяли отримати виразний глянцевий блиск.
Кремнієві наночастинки забезпечують глянцеву поверхню
Щоб розв’язати цю проблему, команда професора Хіроші Сугіmото використала наночастинки кремнію, вкриті тонкою оболонкою з діоксиду кремнію — силіки. Вона захищає частинки та допомагає контролювати відстань між ними.
Завдяки такій конструкції наночастинки можуть формувати впорядкованіші структури. Це зменшує розсіяне відбиття світла й дає змогу отримувати поверхню з виразним глянцевим ефектом. Водночас інтенсивність блиску можна регулювати.
Дослідники також продемонстрували, що покриття підходить для великих об’єктів зі складною тривимірною формою. Додатковий захисний шар не спричиняв істотної зміни кольору — важлива перевага, оскільки захисні покриття часто порушують оптичні властивості структурних матеріалів.
Чому нова фарба може бути значно легшою
За даними дослідників, покриття здатне забезпечувати високу насиченість і непрозорість завдяки лише одному шару кремнієвих наночастинок. Це робить його набагато тоншим за багато традиційних лакофарбових матеріалів.
Саме товщина шару може забезпечити значну економію ваги. Автори наводять розрахунковий приклад для широкофюзеляжного пасажирського літака: якщо традиційне фарбування додає приблизно 300 кг, еквівалентний шар структурного покриття міг би важити лише близько 300 г.
Таке порівняння поки є теоретичним. Реальну економію потрібно буде перевірити під час промислового нанесення та експлуатаційних випробувань. Водночас навіть часткове зменшення маси покриття могло б бути корисним для авіації, де вага безпосередньо впливає на витрати енергії.
Від автомобільної фарби до функціональних покриттів
Дослідники вважають, що технологію можна адаптувати до промислових способів нанесення матеріалів, зокрема розпилення, нанесення за допомогою щілинної головки та безперервної рулонної обробки. Це потенційно дасть змогу виробляти покриття у великих масштабах.
Кремній широко використовується в електронній промисловості, а діоксид кремнію є одним із найпоширеніших матеріалів у земній корі. Відсутність традиційних органічних пігментів також може зменшити проблему вицвітання. Втім, повний екологічний ефект технології ще потрібно оцінити з урахуванням виробництва, нанесення та утилізації матеріалів.
У перспективі команда планує розширити можливості покриття за межі декоративного забарвлення. Серед напрямів — створення поверхонь, здатних реагувати на зміни навколишнього середовища, запускати фотохімічні реакції або допомагати керувати енергією світла.
Результати дослідження опублікували в науковому журналі Small Structures. До промислового використання технології ще потрібно пройти етапи масштабування та випробувань, але вона вже демонструє потенціал нового підходу до створення легких і довговічних покриттів.