Fala, która nie była biała
Oto coś, co sprawi, że spojrzysz na japońską sztukę inaczej: olśniewające biele w słynnych drzeworytach Hokusaia wcale nie są białe. Piana na jego falach, śnieg pokrywający górę Fuji, delikatne chmury – cała ta świetlista biel wynika z faktury samego papieru washi. Światło odbija się od odsłoniętych włókien papieru, rozpraszając się we wszystkich kierunkach, a nasze oczy interpretują to jako jasną, czystą biel.
Żadnego pigmentu. Tylko fizyka robi swoje.
To zjawisko nazywa się bielą strukturalną i od dawna kryło się na widoku w przyrodzie, na długo zanim ludzie pomyśleli, by je badać. Morska bryza, chmury, świeży śnieg – żadne z nich nie zawiera „białej substancji”. Mają jedynie odpowiednią mikroskopijną architekturę, która rozprasza światło widzialne z ogromną intensywnością.
A teraz naukowcy odkryli, jak wykorzystać ten starożytny trik w nowoczesnych materiałach. Całkiem imponujące, prawda?
Dwa problemy, jedno sprytne rozwiązanie
Międzynarodowy zespół stojący za tymi badaniami – pod kierownictwem profesora Easana Sivaniaha z Instytutu Zintegrowanych Nauk o Komórkach i Materiałach na Uniwersytecie w Kioto, we współpracy z naukowcami z Tokijskiego Metropolitalnego Uniwersytetu oraz Uniwersytetu Donghua – chciał rozwiązać dwa główne problemy w dziedzinie materiałów.
Po pierwsze: dwutlenek tytanu. Ten minerał występuje wszędzie – w białych opakowaniach, foliach, powłokach, a nawet niektórych produktach spożywczych (gdzie wcześniej był oznaczany jako dodatek E171). Nadaje rzeczom jasność i nieprzezroczystość, co jest świetne dla producentów. Ale jest problem: Unia Europejska niedawno zakazała stosowania dwutlenku tytanu jako dodatku do żywności ze względów bezpieczeństwa. To poważna sprawa, ponieważ oznacza, że firmy na całym świecie gorączkowo szukają alternatyw.
Drugi problem: PFAS. Mogliście słyszeć o nich jako o „wiecznych chemikaliach”. Te fluorowane związki pomagają materiałom odpychać wodę i olej, co brzmi przydatnie – dopóki nie przypomnimy sobie, że utrzymują się w środowisku przez bardzo długi czas i mogą powodować problemy zdrowotne. Na całym świecie rośnie presja na znalezienie zamienników.
Zespół badawczy pomyślał: a co, jeśli nie potrzebujemy żadnego z tych dwóch rozwiązań? Co, jeśli moglibyśmy zaprojektować materiały, które uzyskują biel i odporność na wodę wyłącznie dzięki strukturze fizycznej?
Natura już to rozwiązała
Badacze czerpali inspirację z dość nieoczekiwanych źródeł. Liść lotosu, słynny z powierzchni odpychającej wodę i „samoczyszczącej się”? To kwestia faktury, a nie powłoki chemicznej. Piankowe gniazda budowane przez niektóre żaby w celu ochrony jaj? Powietrze i struktura, bez żadnych dodatków.
Strategia jest elegancka: zamiast dodawać substancje do materiałów, aby zachowywały się w określony sposób, wbudowujemy to zachowanie w fizyczną architekturę materiału od samego początku.
„Kluczowym wyzwaniem stojącym przed nauką biomimetyczną jest realizacja przyjaznych dla środowiska projektów materiałów inspirowanych naturą na skalę i w kosztach porównywalnych z istniejącymi materiałami” – powiedział docent Taiki Yanagishima z Tokijskiego Metropolitalnego Uniwersytetu.
I dokładnie to im się udało.
Proces: światło, rozpuszczalnik, magia
Tutaj robi się ciekawie. Opracowana technika nazywa się głęboką fotolitografią piankową (DFP), a jej piękno tkwi w prostocie.
Najpierw naświetlasz film polimerowy. Światło rozbija polimer na mnie