Традиционная краска изготавливается из связующего агента (например масла) и пигментов тяжелых металлов — кобальт, охра и кадмий, которые создают синий, красный и желтый цвета соответственно. Но исследователи из Университета Центральной Флориды (UCF) попытались последовать примеру природы в создании ярких палитр — и случайно создали самую легкую в мире краску.
Животные получают окрас в разные способы — например, субмикроскопические выступы и контуры павлиньих перьев дифрагируют свет, создавая радужные голубые и зеленые цвета. Это так называемая структурная окраска, которую используют еще и многие виды жуков и бабочек — и ученые из Флориды разработали краску, которая может ее сымитировать.
Первоначально исследователи пробовали создать длинное алюминиевое зеркало с помощью электронно-лучевого испарителя. После многочисленных неудач они заметили, что частицы алюминия «слипаются» между собой, создавая микроскопические «наноостровки», что и мешало создать поверхность с высоким уровнем отражения света.
Команда также обратила внимание, что электроны алюминия «возбуждались» всякий раз, когда свет попадал на наночастицы, заставляя их колебаться. Кроме того, электроны резонировали разными длинами волн света в зависимости от размера наночастиц: белый свет, попадавший на неровную поверхность, отражался вокруг ее хребтов, прежде чем, наконец, отразился одним цветом.
«Просто меняя размер наночастиц, вы фактически можете создать разные цвета», — сказал Дебашис Чанда, соавтор исследования.
Исследователи принялись создавать разные цвета краски, выращивая алюминиевые «наноостровки» в двустороннем зеркале и превращая их в консистенцию, похожую на пудру. Далее материал смешивали со связующим агентом, чтобы получить готовую краску.
Чанда сказал, что из-за структурной природы материала для окрашивания поверхности требуется очень тонкий слой. Капли размером с изюм может хватить для окрашивания дверей с обеих сторон. Это свойство делает краску сверхлегкой – а это потенциально полезное изобретение для авиационной отрасли.
Для Boeing 747 требуется около 450 литров обычной краски, а с краской, которую изобрели исследователи из Флориды, понадобится всего 1,3 литра. Это, кажется, незначительным для самолета, которые весит несколько сотен тонн, но даже небольшая экономия веса сопровождается огромной экономией топлива.
«Учитывая, что топливо — это весомая часть операционных расходов [около 30% в прошлом году], авиакомпании заинтересованы в улучшении топливной эффективности», — сказал представитель Международной ассоциации авиакомпаний.
Например, American Airlines подсчитала, что сэкономила 400 000 галлонов топлива и $1,2 миллиона в год, убрав 30 кг пособий для пилотов из своих самолетов. Компания утверждает, что сэкономила еще 300 000 галлонов в 2021 году, перейдя на более светлую краску, которая сбросила 28 кг с 737s.
Еще одно преимущество этого вида краски – ее долговечность. Авиакомпании перекрашивают свои самолеты до четырех раз в год из-за влияния солнца — структурные краски не выцветают.
И наконец краска поможет поддерживать более низкую температуру. Большинство самолетов создаются белыми, чтобы отражать как можно больше света. Предварительные тесты показывают, что краситель команды поддерживает температуру поверхности на 20-30 ℉ ниже традиционной краски, независимо от цвета. Поэтому он идеально подходит для покраски самолетов, автомобилей, домов и других построек — если он может снизить температуру внутри даже на несколько градусов, это сэкономит большое количество энергии, используемой для кондиционирования воздуха.
Единственная проблема, с которой сейчас сталкиваются исследователи, это масштабируемость. У них есть оборудование для изготовления небольших флаконов, но для реальной коммерциализации придется производить гораздо больше. Лаборатория ищет партнеров, которые помогли бы вывести продукт на рынок.
Исследование было опубликовано 8 марта в научном журнале Science Advances.