Волна, которая не была белой
Вот факт, который заставит вас взглянуть на японское искусство по-новому: яркие белые участки в знаменитых гравюрах на дереве Хокусая на самом деле не являются белыми. Пена на его волнах, снег, покрывающий гору Фудзи, и лёгкие облака — вся эта светящаяся белизна создаётся за счёт текстуры самой бумаги васи. Свет отражается от открытых волокон бумаги, рассеиваясь во всех направлениях, и наши глаза воспринимают это как яркий, чистый белый цвет.
Никаких пигментов. Просто физика в действии.
Это явление называется структурной белизной, и оно веками скрывалось у нас на виду в природе, задолго до того, как люди начали его изучать. Морская пена, облака, свежий снег — ни в одном из них нет «белого вещества». У них просто есть правильная микроскопическая архитектура, которая рассеивает видимый свет с максимальной эффективностью.
И теперь учёные научились использовать этот древний трюк для создания современных материалов. Не правда ли, здорово?
Две проблемы, одно умное решение
Международная команда исследователей под руководством профессора Идзана Сивании из Института интегрированных клеточно-материальных наук Киотского университета, в сотрудничестве с коллегами из Токийского столичного университета и Университета Дунхуа, стремилась решить две главные проблемы в материаловедении.
Первая проблема: диоксид титана. Этот минерал встречается повсюду — в белой упаковке, плёнках, покрытиях и даже в некоторых продуктах питания (где он раньше обозначался как пищевая добавка E171). Он делает объекты яркими и непрозрачными, что выгодно производителям. Но есть проблема: Европейский союз недавно запретил использование диоксида титана в качестве пищевой добавки из-за опасений по поводу безопасности. Это серьёзный шаг, означающий, что компании по всему миру спешно ищут альтернативы.
Вторая проблема: ПФАС. Возможно, вы слышали, что их называют «вечными химикатами». Эти фторированные соединения помогают материалам отталкивать воду и масло, что звучит полезно, — пока вы не вспомните, что они сохраняются в окружающей среде практически вечно и могут вызывать проблемы со здоровьем. Глобальное давление с целью найти заменители постоянно растёт.
Исследовательская команда подумала: а что если нам не нужны ни то, ни другое? Что если мы сможем создать материалы, которые получают свою белизну и водоотталкивающие свойства исключительно за счёт физической структуры?
Природа уже решила эту задачу
Исследователи черпали вдохновение в довольно неожиданных местах. Лист лотоса, известный своей водоотталкивающей «самоочищающейся» поверхностью? Это результат текстуры, а не химического покрытия. Пенистые гнёзда, которые некоторые лягушки строят для защиты своих икринок? Только воздух и структура, никаких добавок.
Стратегия элегантна: вместо того чтобы добавлять вещества в материалы, чтобы заставить их вести себя определённым образом, нужно заложить это поведение в физическую архитектуру материала с самого начала.
«Ключевой задачей биомиметической науки является реализация экологически чистых дизайнов материалов, вдохновлённых природой, в масштабах и по стоимости, сопоставимых с существующими материалами», — отметил доцент Тайки Янагисима из Токийского столичного университета.
Именно это им и удалось сделать.
Процесс: свет, растворитель, магия
Здесь начинается самое интересное. Разработанная ими техника называется глубокой пенной фотолитографией (DFP), и её красота заключается в простоте.
Сначала вы светите на полимерную плёнку. Свет разрушает полимер на более мелкие фрагменты. Затем вы наносите мягкий растворитель, который заставляет эти фрагменты набухать и расширяться.
По мере расширения материала в нём формируется сеть микроскопических пор — своего рода сверхтонкая пена. Эта губчатая структура выполняет две замечательные функции одновременно: