Wist je dat meer dan 50 procent van de vervuiling door microplastics in onze oceanen afkomstig is van gekleurde kleurstoffen? Bijna elk voorwerp dat mensen in de oceaan gooien, of het nu kapot speelgoed, een kleine dop van een fles of een schoen is, heeft een soort kleurcoating. Hoewel je kunt proberen alle plastic voorwerpen die in de oceanen zijn gegooid te verzamelen, is er geen manier om de microplastics te verzamelen die al in het water zijn gemengd.
Deeltjes van verf zijn niet alleen een probleem in de oceaan. ze worden ook gemengd met de lucht die je inademt. In 2010 bestudeerden wetenschappers het effect van chemicaliën die worden gebruikt in commerciële muurverven op de gezondheid van kinderen. Ze ontdekten dat kinderen die slapen in kamers met muren die zijn bedekt met verf met een hoog gehalte aan vluchtige organische stoffen (VOS), meer kans hebben op het ontwikkelen van medische aandoeningen zoals eczeem en astma.
Betekent dit dat commerciële verfmaterialen het milieu en onze gezondheid blijven aantasten? Nou, er is een nieuw sprankje hoop. Onderzoekers van de University of Central Florida (UCF) hebben onlangs een studie gepubliceerd waarin “plasmonische verf” wordt beschreven, een lichtgewicht, milieuvriendelijk materiaal dat de potentie heeft om de meeste gekleurde coatings te vervangen. Ze beweren dat hun plasmonische verf ook de lichtste verf ter wereld is omdat het het gebruik van pigmenten en alle materialen die nodig zijn om de pigmenten op hun plaats te houden, vermijdt.
Pablo Cencillo Abad, eerste auteur van de studie en een onderzoeker aan het NanoScience Technology Center van UCF, vertelde Ars Technica: “Onze ultralichte verf is de lichtste ter wereld en het gebruik ervan in plaats van conventionele pigmenten kan helpen het totale gewicht van objecten te verminderen. wat buitengewoon gunstig is voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.”
Hij voegde eraan toe: “Als voorbeeld van een kant-en-klare toepassing, neem dan het geval van een groot object zoals een Boeing 747 jumbojet. Conventioneel schilderen vereist een grote hoeveelheid verf, meestal meer dan 1.000 pond (454 kg), om zo’n object te coaten. Het zou echter slechts ongeveer 3 pond (1,4 kg) van onze plasmonische kleurstof nodig hebben, wat een verbazingwekkende 400-voudige gewichtsvermindering vertegenwoordigt.
Plasmonische geometrie creëert kleuren
Plasmonics is de tak van wetenschap die zich bezighoudt met hoe de beweging van elektronen de doorgang van licht in metalen beïnvloedt. De voorgestelde plasmonische kleurstof produceert kleuren met behulp van structurele kleuring, het fenomeen dat pauwen en vlinders hun heldere, opvallende kleuren geeft. De geometrische opstelling van veren, huidcellen en schubben bij deze dieren verandert het pad van lichtstralen, waardoor ze onder verschillende hoeken buigen en verschillende kleuren produceren.
De structurele kleuring in plasmonic verf is geïnspireerd op vlinders. Het bestaat uit twee kleurloze materialen: aluminium nanodeeltjes en aluminiumoxide nanostructuren. Door simpelweg de manier waarop deze deeltjes zijn gerangschikt te veranderen, kan het UCF-team zichtbaar licht manipuleren en elke kleur creëren, waardoor ‘s werelds eerste structurele verf in kleur ontstaat.
“Onze structurele verven gebruiken aluminium nanodeeltjes om de spectrale componenten van licht te beheersen en een groot palet van zichtbare kleuren te creëren door simpelweg de structurele productieparameters te wijzigen. Wanneer licht onze structuur raakt, beginnen de metalen elektronen van de deeltjes te oscilleren, waarbij sommige kleuren worden vastgelegd en andere worden gereflecteerd (dit fenomeen wordt plasmonische resonantie genoemd). Belangrijk is dat de specifieke geabsorbeerde kleuren worden bepaald door de specifieke morfologie van de nanodeeltjes. Daarom, wanneer we de grootte van de deeltjes veranderen, absorberen ze verschillende kleuren en produceren ze verschillende tinten, “zei Abad.
Op pigment gebaseerde verven daarentegen werken door bepaalde golflengten van licht te absorberen met behulp van pigmentmoleculen. De groene kleur in planten is bijvoorbeeld het gevolg van chlorofylmoleculen die blauw en rood licht absorberen en groen reflecteren. Hier zijn de kleuren simpelweg het resultaat van de eigenschappen van het gebruikte materiaal. Structurele kleuring produceert kleur niet vanwege het materiaal, maar door te regelen hoe het in wisselwerking staat met licht.
Een voordeel van structurele verven ten opzichte van chemisch verven is dat hoewel de pigmentmoleculen na verloop van tijd kunnen afbreken en zo kleur verliezen, structurele verven kunnen worden gemaakt van zeer stabiele materialen die de kleur behouden, tenzij de structuur fysiek wordt beschadigd. Dus in vergelijking met standaardverf is plasmonic-verf duurzamer.
Een win-winsituatie
Volgens de auteurs van het onderzoek is duurzaamheid niet het enige voordeel dat plasmonic verven bieden. Ze bevatten bijvoorbeeld geen vluchtige organische stoffen of andere verontreinigingen die vaak worden aangetroffen in conventionele verven. Bovendien zijn ze niet giftig omdat ze niet chemisch worden gesynthetiseerd met pigmentmoleculen of kleurstoffen, maar zelf worden samengesteld door middel van nanofabricagemethoden.
Een muur of object dat is gecoat met plasmonic-verf heeft dus niet hetzelfde schadelijke effect op de menselijke gezondheid en het milieu als veel verven. Aangezien plasmonische nanodeeltjes zijn ontworpen om selectief bepaalde golflengten van licht in het zichtbare spectrum te verwijderen en al het andere te weerkaatsen, absorberen ze ook veel minder warmte in vergelijking met traditionele verven (die infrarood licht absorberen samen met zichtbaar licht) en kunnen dus het vermogen en het gebruik verminderen. van airconditioning in binnenruimtes en voertuigen.
Plasmonic verven zijn ook zeer flexibel. Als een verffabrikant momenteel een nieuwe kleurtint op basis van pigment moet produceren, heeft hij een nieuw pigmentmolecuul nodig. Plasmonische kleurstoffen kunnen een breed scala aan nieuwe kleuren produceren met een enkele formulering. Het enige wat ze hoeven te doen is de geometrische rangschikking van de nanostructuren in hun kleurstof te veranderen.
Wat verrassend is, is dat je maar één laag plasmonische verf nodig hebt om een hele muur of object te bedekken. Chemische pigmenten zijn gebaseerd op volumetrische resultaten, dus een object moet met meerdere lagen worden gecoat om ervoor te zorgen dat het volume of de dikte van de kleur voldoende is om de gewenste kleurfrequenties weer te geven – meestal van micrometers tot millimeters kleur. Omdat plasmonische verf kan controleren en manipuleren hoe licht ermee interageert, “kunnen we ze volledig reflecterend maken, zelfs met een enkele nanometer dikke laag, 500 tot 1000 keer dunner dan een mensenhaar”, zei Abad.
Er zijn geen beperkingen voor grootschalige plasmonische kleurstofproductie. Het belangrijkste ingrediënt dat hier wordt gebruikt, is aluminium, het meest voorkomende metaal in de aardkorst. “Ons coatingproces maakt gebruik van technieken die al gangbaar zijn in de elektronica-, halfgeleider- en coatingindustrie. Dit betekent dat de infrastructuur en knowhow die nodig zijn om de kleur te produceren al bestaat en dat het proces eenvoudig kan worden opgeschaald om aan de vraag te voldoen. Als zodanig is het een zeer praktische en haalbare oplossing voor grootschalige commerciële toepassingen”, vertelde Abad aan Ars Technica.
Is het klaar voor gebruik?
Plasmonic-verf belooft een duurzaam, schaalbaar, lichtgewicht en milieuvriendelijk alternatief te zijn voor conventionele kleurcoatingproducten, maar het is nog niet klaar voor verkoop in de winkels. De auteurs van de studie beweren dat het zich in de beginfase van ontwikkeling bevindt en hoge productiekosten heeft. Ze onderzoeken nieuwe toepassingen en verbeteren hun productiemethoden om plasmonic verf efficiënter en kosteneffectiever te maken.
Abad en zijn team werken ook aan plasmonische hittestralingsschilden en proberen hun kleur te hybridiseren met biologisch afbreekbare functionele polymeren. Dit zou kleurveranderingen mogelijk maken als reactie op externe prikkels, waardoor de coating ideaal is voor omgevingsdetectie of zelfs “slimme” schilderijen. “We zijn er sterk van overtuigd dat deze technologie het potentieel heeft om de verfindustrie radicaal te veranderen en nieuwe innovaties op een groot aantal gebieden mogelijk te maken”, aldus Abad.
Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf7207 (Over DOI’s)
Rupendra Brahambhatt is een ervaren journalist en filmmaker. Het behandelt nieuws over wetenschap en cultuur en werkt de afgelopen vijf jaar actief samen met enkele van de meest innovatieve persbureaus, tijdschriften en mediamerken die in verschillende delen van de wereld actief zijn.
