Jeżeli weźmiemy pióro czerwonego ptaka, jesteśmy w stanie wydzielić z niego pigment o podobnej barwie. Spróbujmy z niebieskim — powstanie biały proszek. Dlaczego? Odpowiedzi na to pytanie udzieliła w ramach wykładów otwartych „Akademicki Poznań” dr Victoria Hwang z Uniwersytetu Harvarda, a odpowiedź brzmi: kolor strukturalny.
Zagadnienie to fascynuje dr Hwang od ponad sześciu lat, czego uwieńczeniem był uzyskany w 2020 roku tytuł doktora na Uniwersytecie Harvarda. Od niespełna roku jest członkinią grupy badawczej pracującej dla firmy Apple. Na początku maja na zaproszenie prof. Zbigniewa Rozynka z Wydziału Fizyki UAM wygłosiła wykład: „Understanding Structural Colors Designed by Nature”.
Cofnijmy się jednak trochę w czasie. W 2018 roku Zbigniew Rozynek, mający za sobą studia w Szwecji, Wielkiej Brytanii i Norwegii, otrzymał stypendium Fullbrighta na Uniwersytecie Harvarda. Wśród osób, z którymi znalazł się w grupie, była Victoria Hwang. Pomimo odmiennych zainteresowań badawczych, szybko znaleźli wspólny język. – Victoria jest wyjątkowym naukowcem. Mądra, logicznie myśląca, bardzo zaangażowana w swoje badania i otwarta na kontakty z innymi – mówi.
Kiedy więc rok temu natrafił na ofertę „Akademickiego Poznania”, postanowił sprowadzić koleżankę do Polski. Po wielu perturbacjach związanych z pandemią wykład odbył się w kwietniu tego roku, w formie zdalnej.
Punktem wyjścia badań, jak to często bywa, stała się natura. Znana zasada mówi, że kolory powstają poprzez absorpcję: materiał pochłania określone długości fal, inne zostają odbite i docierają do naszego oka. Tak widzimy naszego czerwonego ptaka (i też inne o w miarę ciepłym kolorze upierzenia). Tymczasem pióra niebieskiego ptaka w momencie odbicia wzmacniają falę o pożądanej barwie, przepuszczając te o innej długości. Odpowiedzialna za to jest ich specyficzna nanostruktura. Dlatego mielenie błękitnych piór wiąże się z utratą ich koloru – zakłócony zostaje dotychczasowy porządek nanocząsteczek.
Badania nad kolorami strukturalnymi nie są ograniczone jedynie do wiernego odwzorowywania mechanizmów zaobserwowanych w naturze – naukowcy są w stanie konstruować własne kolory. Dr Victoria Hwang za pomocą modeli matematycznych sprawdza między innymi, jak rodzaj używanego materiału, odległość i różnorodność w rozmiarze cząstek, gęstość, grubość czy szorstkość próbki wpływa na ich kolor. Po opracowaniu odpowiedniej konstrukcji możliwa jest produkcja barwników o ściśle określonym i z góry przewidzianym kolorze.
W czym farby, nazwijmy je: „strukturalne”, okazują się lepsze od tradycyjnych? Przede wszystkim są lżejsze i bardziej przyjazne dla środowiska – spoiwo łączące poszczególne warstwy koloru może być na przykład biodegradowalne. Zapytana o możliwe zastosowania, dr Victoria Hwang nie widzi ich roli jedynie jako zamienników dla stosowanych powszechnie pigmentów, a podkreśla ich nowe możliwości – takie jak na przykład właściwości iryzacyjne: kolor będzie zmieniać się zależnie od kąta widzenia czy zmiany kształtu danego przedmiotu. Nie ma też powodu, byśmy mieli ograniczać się tylko do światła widzialnego. W przyszłości być może będziemy produkować specjalne powłoki na okna, które będą eliminować promieniowanie podczerwone czy ultrafioletowe.
Jakkolwiek takich szyb w sklepach jeszcze nie kupimy, technologia ta znajduje już zastosowanie poza laboratoriami naukowców. W Królewskich Ogrodach Botanicznych w Kew londyńczycy mogą oglądać wystawę „Naturally Brilliant Colour” Andrewa Parkera, którego malunki zachwycają żywym, metalicznym blaskiem. A Lexus wypuścił na rynek luksusową, limitowaną linię samochodów osobowych coupé, których karoseria pokryta jest warstwą strukturalnego koloru niebieskiego. Ostudźmy jednak emocje. Nie jest to samochód dostępny dla większości z nas - jego cena liczy się w setkach tysięcy dolarów amerykańskich.
Na koniec wróćmy do badania, które opisano na początku tego artykułu. Jak trwały jest kolor strukturalny? Czy fakt, że może on utracić swoją barwę w procesie mielenia nie czyni go zbyt ulotnym? Dr Victoria Hwang nie ma wątpliwości co do jego długowieczności: głównym zagrożeniem dla farb nie są bowiem uszkodzenia mechaniczne, które zmieniają ich nanostrukturę, ale proces odbarwiania, zachodzący na przykład pod wpływem słońca. W porównaniu z materiałami pokrytymi kolorem strukturalnym, tradycyjne pigmenty odbarwiają się względnie szybko. Dr Hwang badała ponad stuletnie pióra i zapewnia, że kolor ich był równie intensywny, jak u żywego ptaka.
Cykl wykładów otwartych „Akademicki Poznań” jest współfinansowany przez miasto Poznań. Program trwa nieprzerwanie od 2008 roku. W jego ramach do wygłoszenia wykładu zapraszane są największe światowe autorytety w rozmaitych dziedzinach wiedzy, począwszy od designu, przez medycynę, na nanotechnologii skończywszy.
zob. też. https://uniwersyteckie.pl/nauka/odkrywaja-sekrety-nanoskali
