14 feb. 2022
3 minuten
Kleurstoffen die mensen maken bevatten vaak stoffen die schadelijk zijn voor het milieu. Maar dat hoeft niet persé.
"We bootsen de normale kleurmechanismen in de natuur na", zegt NTU-hoogleraar natuurkunde Jon Otto Fossum. Zijn team en collega’s van de Universiteit van Bayreuth (DE) hebben een praktische en goedkope methode ontdekt om kleuren te produceren die recyclebaar, duurzaam en niet-toxisch zijn.
De resultaten zijn nu gepubliceerd in Science Advances.
De kleur die we normaal zien, zijn het deel van het lichtspectrum dat het materiaal niet absorbeert. Maar de manier waarop de natuur kleuren maakt, is vaak compleet anders. Vogels, vissen, insecten, sommige planten en bessen, zeepbellen, regenbogen en meer hebben kleuren die het gevolg zijn van de gedeeltelijke reflectie van lichtgolven.
Wat we zien is licht dat wordt weerkaatst in nanodunne structuren in het materiaal. Het licht dat in de verschillende lagen wordt gereflecteerd, wordt versterkt door wat ‘constructieve interferentie’ wordt genoemd. Dit creëert wat we zien als kleuren.
Om deze manier van kleuren maken na te bootsen, hebben de knappe koppen nanodunne lagen gebruikt van een ogenschijnlijk eenvoudig materiaal: klei.
Nanodunne kleiplaten
"De meeste mensen vinden klei niet transparant. Maar als we nanodunne platen van bijvoorbeeld klei of grafeen isoleren, worden ze bijna volledig transparant. Ze reflecteren geen licht en zijn kleurloos", zegt Fossum.
Door twee van zulke transparante kleiplaten te combineren en er een extra substantie tussen te doen, is het mogelijk om kleuren naar voren te brengen. "We kunnen nanosheets van klei minder transparant maken door een dubbele nanodunne laag met een element ertussen te maken en te gebruiken. In de tests hebben we het element cesium gebruikt, maar er kunnen ook andere stoffen gebruikt worden", zegt Fossum.
De onderzoekers noemen de dubbele nanodunne kleilagen DBL (‘Double Layers’). Dubbele kleilagen zijn nog gedeeltelijk transparant, maar weerkaatsen wat licht waardoor kleur ontstaat.
Afstand tussen lagen bepaalt kleur
"Het mechanisme waarmee we werken wordt ‘structurele kleur’ genoemd, omdat het de nanostructuur is, en niet het specifieke materiaal, dat de kleuren doet ontstaan", zegt Fossum. "Daarom worden structurele kleuren ook vaak ‘fysieke kleuren’ genoemd, terwijl traditionele pigmenten vaak ‘chemische kleuren’ worden genoemd.
Het materiaal heeft eigenschappen op nanoniveau die het mogelijk maken om licht van verschillende diepten in de structuur te reflecteren. Dit kan weer resulteren in verschillende kleuren omdat het gecombineerde licht van de verschillende lagen elkaar versterken op dezelfde manier als we zien in zeepbellen of regenbogen.
"De afstand tussen de dubbele kleilagen zorgt voor de kleur die we zien. De afstand kunnen we sturen door middel van de kleiconcentratie of het zoutgehalte in het materiaal, zoals water, waarin de klei zweeft", aldus Fossum.In dit voorbeeld is het water de ‘matrix’ van de kleilagen. Deze matrix moet absoluut transparant zijn om de dubbele kleilagen te laten reflecteren en de kleuren te laten ontstaan.
De kleuren zelf komen uit de kleilagen, terwijl de matrix alles op zijn plaats houdt. Het resultaat is meer dan alleen de som van de componenten, omdat ze op nanoschaal op een bijzondere manier zelf in elkaar zijn gezet, zegt Fossum.
Milieuvriendelijk in plaats van giftig
Dit alles zou veel veranderingen teweeg kunnen brengen en een veel milieuvriendelijkere manier kunnen bieden om veel producten op veel gebieden te kleuren.
"Fysieke kleuren kunnen worden gemaakt van alles wat bijna transparant is", zegt Fossum. Dit geldt voor materialen die onschadelijk en duurzaam zijn, zoals klei gesuspendeerd in water of in transparante recyclebare polymeren of biopolymeren.
"Het fysieke kleurmechanisme wordt nog niet veel gebruikt door de industrie. Het chemische mechanisme domineert. De reden is dat we nog geen manier hebben gevonden om structuurkleuren te fabriceren die snel, efficiënt en praktisch zijn voor de industrie, zegt Fossum. Maar die hindernis zal niet eeuwig duren. "Onze bevindingen maken een veel uitgebreider gebruik mogelijk van de manier waarop de natuur kleuren maakt, in plaats van de giftige en niet-duurzame manier waarop wij mensen hebben gedaan", zegt Fossum.
Anderen lazen ook
