Традиційна фарба виготовляється зі сполучного агента (наприклад олії) і пігментів важких металів — кобальт, охра, та кадмій, які створюють синій, червоний і жовтий кольори відповідно. Але дослідники з Університету Центральної Флориди (UCF) спробували наслідувати приклад природи у створенні яскравих палітр — і випадково створили найлегшу у світі фарбу.
Тварини отримують забарвлення у різні способи — наприклад, субмікроскопічні виступи та контури пір’я павича дифрагують світло, створюючи райдужні блакитні та зелені кольори. Це так зване структурне забарвлення, яке використовують ще й чимало видів жуків та метеликів — і вчені з Флориди розробили фарбу, яка може його зімітувати.
Початково дослідники пробували створити довге алюмінієве дзеркало за допомогою електронно-променевого випарника. Після численних невдач вони помітили, що часточки алюмінію «злипаються» між собою, створюючи мікроскопічні «наноострівці» — що й заважало створити поверхню з високим рівнем відбиття світла.
Команда також звернула увагу, що електрони алюмінію «збуджувались» щоразу, як світло потрапляло на наночастинки, змушуючи їх коливатись. Крім того, електрони резонували різними довжинами хвиль світла залежно від розміру наночастинок: біле світло, що потрапляло на нерівну поверхню, відбивалося навколо її хребтів, перш ніж, нарешті, відобразилося одним кольором.
«Просто змінюючи розмір наночастинок, ви фактично можете створити різні кольори», — сказав Дебашіс Чанда, співавтор дослідження.
Дослідники взялися створювати різні кольори фарби, вирощуючи алюмінієві «наноострівці» у двосторонньому дзеркалі та перетворюючи їх на консистенцію, схожу на пудру. Далі матеріал змішували зі сполучним агентом, щоб отримати готову фарбу.
Чанда сказав, що через структурну природу матеріалу для фарбування поверхні потрібен дуже тонкий шар. Краплі розміром із родзинку може вистачити для фарбування дверей з обох сторін. Ця властивість робить фарбу надлегкою — а це потенційно корисний винахід для авіаційної галузі.
Для Boeing 747 потрібно близько 450 літрів звичайної фарби, а з фарбою, що винайшли дослідники з Флориди, знадобиться лише 1,3 літра. Це, здається, незначним для корабля, що важить кілька тонн, але навіть невелика економія ваги — супроводжується величезною економією палива.
«З огляду на те, що паливо — це вагома частина операційних витрат [близько 30% минулого року], авіакомпанії зацікавлені в покращенні паливної ефективності», — сказав речник Міжнародної асоціації авіакомпаній.
Наприклад, American Airlines підрахувала, що заощадила 400 000 галонів палива та $1,2 мільйона на рік, прибравши 30 кг посібників для пілотів зі своїх літаків. Компанія стверджує, що заощадила ще 300 000 галонів у 2021 році, перейшовши на світлішу фарбу, яка скинула 28 кг з 737s.
Ще одна перевага цього виду фарби – її довговічність. Авіакомпанії перефарбовують свої літаки до чотирьох разів на рік через вплив сонця — структурні ж фарби не вицвітають.
І нарешті фарба допоможе підтримувати нижчу температуру. Більшість літаків створюють білими, щоб відбивати якомога більше світла. Попередні тести показують, що барвник команди підтримує температуру поверхні на 20-30 ℉ нижчою, ніж традиційна фарба, незалежно від кольору. Тож він ідеально підходить для фарбування літаків, автомобілів, будинків та інших будівель — якщо він може знизити температуру всередині навіть на кілька градусів, це зекономить велику кількість енергії, яка використовується для кондиціонування повітря.
Єдина проблема, з якою зараз стикаються дослідники, це масштабованість. У них є обладнання для виготовлення невеликих флаконів, але для реальної комерціалізації доведеться виробляти набагато більше. Лабораторія шукає партнерів, які б допомогли вивести продукт на ринок.
Дослідження було опубліковане 8 березня в науковому журналі Science Advances.