Vågen som inte var vit
Här är något som får dig att se på japansk konst med nya ögon: de strålande vita partierna i Hokusais berömda träsnitt är faktiskt inte vita alls. Skummet på hans vågor, snön som täcker Mount Fuji, de fluffiga molnen – allt detta lysande vita kommer från själva washipapperets textur. Ljuset studsar runt i de exponerade pappersfibrerna, sprids åt alla håll, och våra ögon tolkar detta som ett ljust, rent vitt.
Inget pigment. Bara fysik som gör sitt jobb.
Detta fenomen kallas strukturell vithet, och det har legat öppet för alla i naturen långt innan människor ens tänkte på att studera det. Havsskum, moln, färsk snö – ingen av dem innehåller något "vitt ämne". De har bara rätt mikroskopisk arkitektur för att sprida synligt ljus som om det inte fanns någon morgondag.
Nu har forskare lyckats utnyttja detta uråldriga trick för moderna material. Ganska coolt, eller hur?
Två problem, en smart lösning
Det internationella teamet bakom denna forskning – lett av professor Easan Sivaniah vid Institutet för integrerad cell- och materialvetenskap vid Kyoto University, med medarbetare från Tokyo Metropolitan University och Donghua University – hade två stora huvudvärk inom materialvärlden som de ville lösa.
För det första: titandioxid. Denna mineral finns överallt – i vit förpackning, filmer, beläggningar, till och med i vissa livsmedel (där den tidigare märktes som tillsats E171). Den gör saker ljusa och opaka, vilket är bra för tillverkare. Men här är problemet: Europeiska unionen förbjöd nyligen titandioxid som livsmedelstillsats på grund av säkerhetsbekymmer. Det är en stor sak, eftersom det innebär att företag överallt nu skyndar sig att hitta alternativ.
Det andra problemet: PFAS. Du har kanske hört dessa kallas för "evighetskemikalier". Dessa fluorerade föreningar hjälper material att avvisa vatten och olja, vilket låter användbart – tills du kommer ihåg att de kvarstår i miljön i vad som verkar vara evigheter och kan orsaka hälsoproblem. Trycket ökar globalt för att hitta ersättningar.
Forskningsteamet tänkte: vad händer om vi inte behöver någon av dessa? Vad händer om vi kan konstruera material som får sin vithet och vattenavvisande egenskaper enbart från fysisk struktur?
Naturen har redan löst detta
Forskarna hämtade inspiration från ganska oväntade håll. Lotusbladet, känt för sin vattenavvisande "självrengörande" yta? Det är en textursak, inte en kemisk beläggning. De skumnest som vissa grodor bygger för att skydda sina ägg? Luft och struktur, inga tillsatser krävs.
Strategin är elegant: istället för att tillsätta ämnen i material för att få dem att bete sig på ett visst sätt, bygg in det beteendet i materialets fysiska arkitektur från början.
"En viktig utmaning inom biomimetisk vetenskap är att förverkliga miljövänliga materialdesigner inspirerade av naturen i samma skala och till samma kostnad som befintliga material", säger docent Taiki Yanagishima vid Tokyo Metropolitan University.
Och det är precis vad de lyckades med.
Processen: Ljus, lösningsmedel, magi
Här blir det intressant. Tekniken de utvecklade kallas djupskumsfotolitografi (DFP), och skönheten ligger i dess enkelhet.
Först belyser man en polymerfilm med ljus. Ljuset bryter ner polymeren i mindre delar. Sedan applicerar man ett milt lösningsmedel, vilket får fragmenten att svälla och expandera.
När materialet expanderar utvecklas ett nätverk av mikroskopiska porer – som ett superfint skum. Denna svampiga struktur gör två anmärkningsvärda saker samtidigt: