Структурно оцветяване
Герман Евсеевич Кричевски,професор, доктор на техническите науки“Химия и живот” № 11, 2010 г.
Доскоро химиците смятаха, че цветът на всички материали, включително текстила, зависи само от наличието на багрила и пигменти в тях, способни да абсорбират част от лъчите на видимата част на спектъра и да предават (ако материалите са прозрачни) или отразяват (ако са непрозрачни) останалите дължини на вълната. Тази част от спектъра, която материалите отразяват, нашето око възприема като цвят. Така са учили специалистите по синтез и приложение на багрила, така е писано в учебниците и точно това е механизмът на химичното или абсорбционното оцветяване.
Преди около 20 години се оказа, че в продължение на много милиони години природата е била в състояние да създава цвят без специални оцветени вещества - само благодарение на подредени структури с много малки размери (наноразмери). Този механизъм на оцветяване, за разлика от "химическия", се основава само на оптични принципи. Когато светлината се отразява от структурирани в многослойни наноелементи - решетки, дантели, жлебове, тогава, тъй като размерите на тези елементи са съизмерими с дължината на вълната на светлината, възникват интерференция, дифракция и разсейване на вълните - в резултат на това виждаме цвят. Това оцветяване с оптичен произход се нарича "структурно". Оказва се, че наред с обикновения, той се среща доста често в природата - в насекоми, птици, риби, морски мекотели и растения.
Структурното оцветяване в дивата природа съществува от около 500 милиона години. Може да се счита, че първият намек за концепцията за "структурно оцветяване" се появява през 17 век от натуралиста Робърт Хук в книгата му "Micrographia". Ученият очерта своята теория за цветовете и обясни оцветяването на тънките слоеве чрез отразяването на светлината от горната и долната им граница. Всъщност беше такапървото споменаване на намеса. Правилното обяснение на структурното оцветяване е дадено за първи път от лорд Джон Уилям Струт Рейли през 1917 г. Той разработи формула за изразяване на свойствата на отразената светлина на правилните слоести структури и твърди, че цветът на двоен кристал, старо напукано стъкло и покритие от буболечки и пеперуди се дължи не на пигменти, а на структурата на тези материали. Rayleigh също отбеляза, че тези "оптични системи се характеризират с размер, съизмерим с дължината на вълната на падащата светлина."
Следващият тласък към изследването на структурното оцветяване идва от електронната микроскопия, която се появява през 30-те и 40-те години на миналия век. С негова помощ беше възможно да се изследва структурата на перата, в които тънки слоеве кератин се редуват със слоеве въздух, и да се докаже, че именно структурата е причината за преливащия цвят. Електронната микроскопия показа също, че разнообразното оцветяване на крилата на пеперудите от семействоMorplroи други също се дължи на структурата на мащаба (фиг. 1). Размерът и геометрията на клетките им определят дължината на вълната на отразената светлина и нейния интензитет (в случая на пеперудитеMorplroвиждаме синьо-син цвят). Като правило, пеперудитеMorplroсе споменават, когато става дума за структурно оцветяване. Микроскопичният строеж на техните люспи, както и молцитеUraniaса най-добре проучени (фиг. 2).
Систематичните изследвания на птичи пера, покривки от насекоми, люспи и кожа на обитателите на моретата и океаните продължават и до днес. Оказа се, че в животинското царство има три вида оцветяване: само структурно (пеперудитеMorplo), само пигментирано (като пеперудите от лимонена трева) и структурно в комбинация с пигментирано. Синият цвят на крилата често се създава от структурно оцветяване, поради люспи, но ако към тях се добави жълт пигмент, тогава се появява допълнителен зелен цвят.
Защо виждамецвят, където няма цветен пигмент? Когато светлината взаимодейства с тънък прозрачен филм, част от нея се отразява от външната му повърхност, останалата част от светлината преминава през филма до долната му граница, отразява се отново, преминава през филма до горната му граница и се присъединява към вече отразената светлина от повърхността (фиг. 3).
Тъй като светлината изминава път, равен на дебелината на филма, вълната, отразена от горния ръб на филма, може или не може да бъде във фаза със светлината, отразена от долния ръб. Всъщност и двата отразени потока от външната и вътрешната повърхност на плочата се добавят или изваждат. Ако фазите на отразената светлина от горната и долната повърхност не съвпадат, тогава не виждаме цвета: това се нарича разрушителна интерференция. Когато фазите съвпадат, виждаме цвят - това е конструктивна интерференция (фиг. 4). Естествено, фазовата разлика между двата вида отразена светлина ще зависи от дебелината на филма, неговия индекс на пречупване, ъгъла на осветяване и дължината на вълната на падащата светлина. С определена дебелина на филма, определен индекс на пречупване и полихроматично осветление (бяла светлина) можем да видим само един цвят. В други случаи, върху крилата и черупките (фиг. 5), наблюдаваме целия спектър от цветове, включително наситено черно и бяло, преливащо оцветяване, опалесциране.
Ако интерференцията се появи не в един филм, а в многослоен пакет от прозрачни филми, тогава конструктивната интерференция ще се увеличи и цветът ще бъде по-интензивен. Такива многослойни прозрачни структури се намират в оперението на птиците, в покривните тъкани на насекомите и в люспите на обитателите на моретата и океаните. Цветът на тези живи организми се предлага в различни цветове, включително преливащи и ирисови. При птиците оптичните системи се образуват от комбинация от пигментмеланин, кератинов протеин и въздух, а при пеперудите изходният материал е азотсъдържащият полизахарид хитин и пигменти.
Най-простият пример за преливащо се оцветяване е тънък слой масло, керосин и други органични съединения върху вода или цветни сапунени мехурчета. Преливащи се и преливащи се цветове се различават от структурните цветове по това, че техният цвят и нюанс се променят в зависимост от ъгъла на видимост на наблюдателя. Но тяхната физическа природа е същата.
Доста лесно е да се наблюдава как различните условия влияят на пречупването на светлината и промяната в структурния цвят. Например, ако върху крило на пеперуда (със структурен цвят) се пусне разтворител с индекс на пречупване, различен от този на въздуха, тогава цветът ще се промени според законите на интерференцията. И така, капка ацетон (индекс на пречупване 1,38, въздух - 1,0) променя цвета на крилото от синьо на зелено. След изпаряване на ацетона цветът се връща. Ако ацетонът се замени с разтворител с коефициент на пречупване 1,56 близо до кутикулата (това е плътен слой върху повърхността на люспите), тогава всички слоеве на люспите образуват хомогенна оптична система, интерференцията ще изчезне заедно със структурния цвят - само кафявият меланин ще остане видим.
Много важна характеристика на оптичните свойства е как е организирана периодичната структура (1D, 2D, 3D), тоест в колко посоки падащият светлинен поток може да се променя. Ако в една или две посоки - това е дифракционна решетка, ако в три измерения - обемна структура или фотонен кристал. Ако периодичността е триизмерна (3D), тогава виждаме цвета независимо от зрителния ъгъл. Класически пример за фотонен кристал е опалът. Той действа като оптичен филтър и именно тези свойства са отговорни за ярките и цветни цветове на опала, които виждаме. В природата подобни 3D структуринамира се в хитиновите покривки на бръмбарите и по крилете на африканските пеперуди лястовича опашка.
В цвета на пеперудите има и вариации в структурата, които се наричат "обратен опал". Това означава, че вместо плътно опаковани сфери, крилете на пеперудата имат специална решетка (мрежа, направена от кутикула) с дупки, пълни с въздух. Разбира се, такива структури са много интересни, включително за създаване на нов тип изкуствени фотонни кристали. Фотонните изкуствени кристали се използват широко в оптиката, в лазерната технология, в производството на вълноводи и електрониката.
Естествените технологии са най-напреднали. Трудно е да ги повторим, но от 60-те години на миналия век съвместните изследвания на биолози, зоолози, физици, химици и математици започнаха да дават резултати в теоретичната и практическата биомиметика. В областта на оцветяването започват и първите опити за имитиране на структурно оцветяване. Разбира се, подобна технология би имала своите предимства. Първо, синтезът на багрила е доста енергоемко и нискоекологично производство. Второ, структурната боя е устойчива на светлина, за разлика от традиционната боя, която почти винаги избледнява с времето. Но досега структурното оцветяване е нова и сложна нанотехнология с много нерешени проблеми.
Например вече е описана технологията за получаване на филми със структурен цвят от колоиден разтвор. Първоначално получените филми бяха бели - светлината беше много силно разсеяна поради дефекти в структурата на кристалния филм. Но след това добавиха частици, които абсорбираха разсеяната светлина, и се появи структурно син филм. Между другото, крилото на пеперудатаMorphoе суперхидрофобно, което не отстъпва на лотоса, и този филм също беше направен хидрофобен. Перспективата за използване на нов материал - самопочистванебоядисани повърхности.
Изследователска група от Калифорнийския университет (Сан Диего) през 2009 г. получи нови полимерни материали, които променят цвета си, когато са изложени на магнитно поле. В магнитно поле микросферите (наночастици от железни оксиди), добавени към полимера, се ориентират по определен начин и образуват фотонен кристал, който дава цвят. Възможните приложения за тази технология включват дисплеи, хартия за многократно изтриване, защита на сигурността, екологични пигменти, бои, козметика, печатни мастила и др.
Примери за произволна биомиметика могат да бъдат намерени в текстилното производство. Така определена периодичност в повърхностната структура на синтетичните влакна води до интересни цветови и тактилни ефекти. Такава тъкан е произведена в Япония - тя се нарича "шингосен" (което буквално означава "ново синтетично влакно" и е в съзвучие с името на известния сборник с японска средновековна поезия). Появиха се нови влакна с наноструктурирана повърхностна геометрия. Специална технология на предене, условията на принудително прокарване на стопилка или полимерен разтвор през финерите и отлагане не само дават повишена плътност на влакната, но също така образуват периодична структура на тяхната повърхност. Такива влакна, поради смущения и разсейване на светлината, са ярко и преливащо оцветени, като крила на пеперуда. В допълнение, такава повърхностна структура подобрява омокряемостта на хидрофобните синтетични влакна.
Текстилните компании предлагат и "микрократерни" влакна, чиято повърхност е покрита с вдлъбнатини с диаметър няколкостотин нанометра. Добре разпръскват падащата светлина, което задълбочава оцветяването. Този принцип се използва в природата от много черни насекоми.
Докато природата е по-добра от човека, справя се с много задачи. Но човечемалко по малко той се научава да прави все по-сложни неща, така че може би утре производството на тъкани в цвят на тропическа пеперуда или морски седеф ще стане обикновена технология.
Какво друго да прочетете за структурното оцветяване:D. Е. Кричевски. Химическа технология на текстилните материали. Учебник за ВУЗ в 3 тома. т. 2. Москва, МГУ, 2001, 540 с.Стр. Jucusic, J. R. Sembles. Фотонни структури в биологията. Nature, 2003, т. 424, с. 852–855.