Дебашису Чанде было трудно найти физика, умеющего рисовать. Исследователи из его Лаборатории нанотехнологий в Университете Центральной Флориды уже изучили особенности сложного оборудования, необходимого для создания революционно нового типа охлаждающего покрытия. Они наполнили колбы яркими красками. Но когда пришло время показать это, они уперлись в стену. «Мы едва ли можем нарисовать бабочку от руки, это что-то вроде детского рисунка», — говорит Чанда.
Они все равно это сделали. в Форма и дизайн в четырех цветах Выглядит просто, но простота обманчива. Если сильно увеличить — до невидимых пропорций — эта краска совсем не похожа на ту краску, которую вы знаете.
Цвет окружает нас в природе, и мы воссоздаем его с помощью пигментов. Вы можете думать о пигментах как о измельченных металлах, тяжелых металлах или химических веществах, которые мы добавляем в масло и наносим на холст или автомобиль: кобальт становится синим; кадмий желто-красная охра; «Но у природы совершенно другой способ создания цветов, чем у нас», — говорит Чанда. Некоторые из самых ярких образов природы — те, что носят павлины, жуки и бабочки, — делают все, что хотят, без красителя.
Показать больше
Эти цвета исходят из топографии. Немикроскопические ландшафты на внешних поверхностях павлиньих перьев, панцирей жуков и крыльев бабочек рассеивают свет, создавая то, что известно как структурный цвет. Более долговечный и без красителей. А для ученых это ключ к созданию покрытия, которое не только лучше для планеты, но и может помочь нам жить в гораздо более жарком мире.
В статье, опубликованной в этом месяце в Научные достиженияПоказать лабораторию Чанда Покрытие является первым в своем роде на основе структурного цвета. Они думают, что это самая легкая краска в мире — и имеют в виду вес и температуру. Покрытие состоит из небольшой алюминиевой фольги, усеянной более мелкими наночастицами алюминия. Изюмом можно покрыть как переднюю, так и заднюю часть двери. Он достаточно легкий, чтобы уменьшить расход топлива в самолетах и автомобилях, покрытых им. Он не задерживает солнечное тепло, как это делают красители, и его ингредиенты ниже токсичный Сделано из красок Тяжелые металлы например кадмий и кобальт.
Дайна Баумайстер, директор кафедры биомиметики Аризонского государственного университета, не удивлена, что у краски много скрытых функций. «Это прекрасная демонстрация того, чего можно достичь, когда мы переосмысливаем наши проекты, спрашивая совета у природы», — говорит она.
Краску, при всех ее недостатках, трудно превзойти. Люди использовали красители на протяжении тысячелетий, поэтому производители красок освоили приемы, позволяющие добиться нужного вида. «Они точно знают, какую добавку нужно добавить, чтобы изменить яркость; они могут сделать ее ярче или тусклее — они все это придумали за сотни лет», — говорит Чанда.
Новые формы краски должны быть еще более инновационными — в области физики, а не только эстетики. Однако сотрудники лаборатории Чанды случайно наткнулись на их изобретение. Они не собирались делать краску. Они хотели сделать зеркало, особенно длинное непрерывное алюминиевое зеркало, сконструированное с помощью инструмента, называемого электронно-лучевым испарителем. Но при каждой попытке они наблюдали крошечные «наноземли», сгустки атомов алюминия, достаточно маленькие, чтобы быть невидимыми, но достаточно большие, чтобы нарушить блеск зеркала. Наноостровки появились по всей поверхности того, что теперь, к сожалению, не было сплошным зеркалом. «Это было очень огорчительно, — вспоминает Чанда.
Затем пришло озарение: эта суматоха что-то делала. полезный. Когда окружающий белый свет попадает на наночастицы алюминия, электроны в металле могут вибрировать или резонировать. Но по мере того, как размеры погружаются в наномасштаб, атомы становятся более привередливыми. В зависимости от размера наночастиц алюминия их электроны будут колебаться только для определенных длин волн света. Это заставляет окружающий свет отражаться как часть того, чем он был: один цвет. Размещение слоев алюминиевых частиц на отражающей поверхности — например, в том зеркале, которое они пытались построить, — усиливало красочный эффект.
Какой цвет? Это зависит от размера наноостровков. «Просто изменив размер, вы действительно можете создать каждый — говорит Чанда. В отличие от красителей, для которых требуется другая базовая молекула, такая как кобальт или Фиолетовая слизь улиток— Для каждого цвета базовой молекулой для этого процесса всегда является алюминий, просто нарезанный на кусочки разного размера, которые излучают свет с разной длиной волны.
Пришло время рисовать рисунок. Процесс сбора начинается с очень тонкого листа двустороннего зеркала. Исследователи покрыли каждую сторону прозрачным разделительным материалом, который помогает усилить цветовой эффект. Затем они выращивали островки металлических наночастиц с обеих сторон пластины. Чтобы сделать этот материал совместимым со связующими или маслами, используемыми в краске, они расплавили его большие листы в цветные хлопья размером с сахарную пудру. Наконец, набрав достаточно цветов для маленькой радуги, можно нарисовать бабочку.
Поскольку структурный цвет может покрывать всю поверхность тонким и легким слоем, Чанда считает, что это изменит правила игры для авиакомпаний. Боингу 747 нужно около 500 кг краски. Подсчитано, что его краска могла покрыть ту же площадь весом 1,3 килограмма. Это более 1000 фунтов на самолет, что снижает количество топлива, необходимого для полета.
Перри Флинт, представитель Международной ассоциации торговли авиалиниями, считает такую возможность правдоподобной. Учитывая, что топливо уже является крупнейшим операционным расходом [about 30 percent last year]»Авиакомпании всегда заинтересованы в повышении топливной экономичности», — написал он в электронном письме Wired. Создание эффективных новых форм планеров и двигателей имеет решающее значение, но снижение веса также приносит огромную экономию. Когда American Airlines отказались от руководств для пилотов. Всего 67 фунтов за штуку По оценкам компании, это сэкономит 400 000 галлонов топлива и 1,2 миллиона долларов в год. В 2021 году AA представила новую окраску, которая уменьшила вес 737-х на 62 фунта, Экономия 300 000 галлонов год.
Структурная краска также может держаться дольше. (Некоторые авиакомпании перекрашивают самолеты каждые четыре года.) Частицы пигмента разрушаются на солнце, но коричневый цвет не тускнеет, поэтому он не тускнеет. У нас есть все эти способы, чтобы попытаться зафиксировать краску, попытаться удержать ее от окисления и потери цвета. Или он исчезает, и мы выбрасываем его на свалку», — говорит Баумейстер, который также является соучредителем консалтинговой фирмы. Имитация природы 3.8.1. «Но когда вам нужен цвет, который сохраняется вечно — на протяжении всей жизни организма, — лучше всего подходит коричневый».
Команда Чанды также поняла, что, в отличие от обычной краски, структурная краска не поглощает инфракрасное излучение, поэтому не задерживает тепло. («Вот почему ваша машина так нагревается на палящем солнце», — говорит он.) Естественно новая краска охлаждение Для сравнения: исходя из первоначальных лабораторных экспериментов, он может поддерживать температуру поверхностей на 20–30 градусов по Фаренгейту холоднее, чем традиционная краска.
Баумайстер считает, что его применение выходит далеко за рамки авиации, в том числе он обеспечивает эффект «городского теплового острова», который создает в городах высокие, а иногда и смертельно опасные температуры. «Вы можете представить себе автомобили. Вы можете представить себе тротуары. Даже строительные изделия, где эстетически люди хотели бы иметь более темный тон — будь то крыша или сайдинг, — но это, конечно, увеличивает тепловую нагрузку на здание. Краска для охлаждения крыш и тротуары).
А охлаждение зданий без использования электричества позволит создать более устойчивую инфраструктуру. «Если на улице 95 градусов, если вы можете поддерживать температуру ниже 80 градусов, вы получаете огромную экономию электроэнергии и переменного тока», — говорит Чанда.
Масштабирование производства от колб до чанов будет непростой задачей, и лаборатория Чанды надеется попробовать это с коммерческими партнерами. («Академическая лаборатория — это еще не фабрика», — говорит он.) Консультационный опыт В биомиметике, предполагает Баумейстер, первые приложения могут быть небольшими: возможно, в электронике или в чувствительном к температуре производстве. Но она по-прежнему надеется, что инновации, вдохновленные районами, окупятся даже в самых крупных масштабах, таких как городская инфраструктура. «Будущее человечества на этой планете зависит от того, как мы сможем ладить с природой», — говорит она.
