Дослідники з Кіотського університету навчилися наносити кольорові зображення на прозорі пластики без допомоги чорнил.
Колір у нас практично завжди асоціюється з фарбою, обмакнувши в який пензель, можна що-небудь пофарбувати або намалювати. Хоча використання пензля - зовсім необов'язкова умова, обійтися можна і будь-яким підручним інструментом: від власного пальця до складного друкарського обладнання.
Але не важливо, чим і як ви наносите фарбу, у всіх випадках колір предметам надають пігменти або барвники - речовини, які по-різному поглинають і відображають світло різних довжин хвиль. Колір фарби, що містить пігмент, створюється за рахунок того, що він «забирає» собі з падаючого світла частину спектра, і якщо він поглинає світло в усьому видимому діапазоні, предмет сприймається нашим оком як чорний. Забарвлення надають не тільки пігменти. Полімери, зокрема, полістирол, пофарбовують розчинними в мономері барвниками, або вводять барвник в розчин або розплав полімера. Колір пофарбованого барвником прозорого тіла залежить від того, яку частину спектру барвник «забере» при проходженні через нього.
За
прикладом ходити далеко не потрібно, достатньо лише згадати, як виглядає масляна плівка на поверхні води - з двох прозорих і безбарвних речовин виходять всі кольори веселки. Відбувається це завдяки явищу, яке називається інтерференція: через відбиття від нижньої і верхньої сторони тонкої плівки промені з певними довжинами хвиль можуть посилювати один одного, в той час як інші будуть один одного гасити. Оскільки товщина плівки постійно змінюється, то і компоненти падаючого і відбитого світла будуть весь час по-різному «перетасовуватися», в результаті чого ми і спостерігаємо в олійних калюжах різнокольорову палітру фарб. Інтерференція можлива не тільки в плівках, а й на різних поверхнях з дуже тонкими смужками або поглибленнями - це термін отримав назву «структурне забарвлення».
У природі такий спосіб синтезу кольору застосовується вже мільйони років - ним з успіхом, наприклад, користуються метелики і птахи. Колір чешуйкам і пір'ям надають не пігменти (ну або не тільки пігменти), а особлива мікроструктура поверхні. Тому немає нічого дивного в бажанні навчитися створювати подібні штучні «фарби».
Дослідники з Кіотського університету описали в статті в Nature спосіб фарбування прозорих пластиків без використання чорнил. Як демонстрацію можливостей цього методу вони навіть надрукували на шматку пластику розміром 1 міліметр відому гравюру XIX століття «Велика хвиля в Канагаві» японського художника Кацусіки Хокусая.
Технологія отримання зображення на прозорому пластику складається з двох етапів. Спочатку дослідники виготовили тонку плівку з полістиролу з додаванням особливої речовини - фотоініціатора, після чого створили в цьому матеріалі варту світлову хвилю. Що ж вийшло на виході?
Під дією світла молекули фотоініціатора склеюють між собою молекули полімеру. Уявіть собі велику каструлю повну спагетті - це буде аналогія довгих полімерних молекул. Якщо ми зіллємо воду, то через якийсь час вміст нашої каструлі злипнеться і перетвориться на одну велику грудку - те ж саме відбувається, коли фотоініціатор зшиває молекули полімеру. Однак в експерименті використовується не звичайне світло, а стояча хвиля, що досить сильно змінює загальну картину.
Будь-яка стояча хвиля являє собою чергування вузлів і пучностей. Якщо взяти як приклад гітарну струну, то вузлам будуть відповідати нерухомі точки на струні, що коливається, а пучностям - точки, що коливаються з максимальною амплітудою. У разі світла все залишається принципово тим же, з тією лише різницею, що замість коливання струни, ми будемо спостерігати коливання електромагнітного поля. Тому у вузлах стоячої світлової хвилі, можна сказати, світла начебто немає, а в місцях пучностей - світло є. Оскільки фотоініціатор зшиває молекули полімеру тільки «на світлі», то стояча хвиля в полімері призведе до низки шарів зшитих і несшитих молекул.
Повертаючись до нашої макаронної аналогії, це б означало, що в каструлі утворилася б не одна цільна грудка, а чергувалися б шари зі склеївшими і відносно вільними спагеті.
На другому етапі полімерну платівку з шитими і несшитими полімерними шарами поміщають у розчинник, під дією якого полімер злегка «набухає», але робить він це дуже нерівномірно. Зшиті шари практично не змінюються, тоді як несшиті сильно збільшуються в розмірах аж до утворення мікропустот. Виходить своєрідний полімерний бутерброд, в якому щільні зшиті полімерні шари чергуються з пухкими несшитими. А це якраз те саме структурне забарвлення, про яке ми говорили на початку замітки.
Залежно від того, наскільки сильно розсунулися шари, змінюється і колір матеріалу. Тому змінюючи параметри стоячої хвилі, температуру і час дії розчинника можна отримувати бажаний колір у прозорого полістиролу.
Головна перевага такої технології полягає в тому, що вона дозволяє створювати якісні кольорові зображення без використання фарби і пігментів. Це не тільки зменшує кількість шкідливих речовин на виробництві, а й робить матеріал більш придатним для вторинної переробки.
За матеріалами Nature