Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak je však možné, že si někteří zkamenělí brouci zachovávají svoji barvu po miliony let?
Američtí a švýcarští fyzici vyvinuli spolu s kolegy ze Saudské Arábie nový způsob, jak vytvořit strukturální barvy, které se nemění v závislosti na úhlu pozorování. Takové barvy nejsou vytvářeny použitím barevných pigmentů, ale zvláštní povrchovou strukturou, která odráží specifické vlnové délky světelného záření. Technologie je založena na sítích pórů, které se samouspořádávají na povrchu kovových slitin. Rozměry pórů jsou přitom menší, než je vlnová délka světla.
Příroda vědce zase jednou přeběhla. Různí živočichové používají barvy k různým účelům, od sexuálního vábení až po vytváření mimikry jako ochrany před predátory. Řada takových zvláštních zabarvení vzniká prostřednictvím barevných pigmentů, existují však i taková, která využívají právě povrchové struktury. Vědci se tímto jevem už dlouho zabývají. Na stejném principu by totiž mohly vzniknout mimořádně trvanlivé barvy a „chytré“ materiály schopné se barevně přizpůsobovat svému okolí.
Každý z nás nejspíš z vlastní zkušenosti ví, že pigmentové barvy relativně rychle blednou podle kvality použitého pigmentu. Jak je však možné, že si někteří zkamenělí brouci zachovávají svoji barvu po miliony let? Odpověď je jednoduchá. Jejich barva je tvořena strukturou povrchu jejich těla.
Řada strukturálních barev v přírodě je tvořena fotonickými krystaly nebo vysoce organizovanými soustavami nanovláken. Jasně modrá barva tropického ptáka Cotinga mayana je však tvořena ještě jinak. Tvoří ji neuspořádaná sít nanopórů v keratinu. Keratin (rohovina) je stavební bílkovina nerozpustná ve vodě. Má vláknitou strukturu a je základní složkou vlasů, nehtů a podobných tkání. Síť pórů, které jsou většinou menší než 200 nm, interaguje se světlem tak, že se od povrchu odráží pouze světlo určité vlnové délky modré barvy.
K vytvoření podobných sítí nanopórů ve slitině hliníku a platiny použili fyzici jednoduchý chemický proces. Umístili slitinu na vhodný substrát a ponořili ji do roztoku hydroxidu sodného. Tím se odstranila většina hliníku a v platině se vytvořila porézní síť.
Fyzici z ETH v Curychu a z Harvard University zjistili, že peří zmíněného tropického ptáka a porézní kovová slitina jsou vytvořeny na stejném principu a mají stejné základní vlastnosti. Struktura pórů má rozměry menší, než je vlnová délka světla, a je vytvořena samouspořádáváním. Jediný rozdíl je v tom, že přírodní struktura je z keratinu. Aby bylo možné ovlivnit výslednou barvu, pokryli fyzici porézní slitinu velmi tenkou průhlednou vrstvou oxidu hliníku. Bez tohoto pokrytí se materiál jevil jako tmavý, jakmile se však vrstva přidala, a postupně se zvětšovala její tloušťka, barva se začala měnit od žluté přes oranžovou, červenou až na velmi jasně modrou.
Umělá síť se může jevit jako neuspořádaná a náhodná, ale z perspektivního pohledu je poměrně dobře pravidelná, to znamená, že každý nanodrát v síti je v průměru propojen se stejným počtem jiných nanodrátů. Konektivita, tedy schopnost systému propojit se s jinými systémy bez dalších úprav, může být řízena změnou výrobního postupu. V této práci se fyzici rozhodli držet konektivitu konstantní a místo toho měnit interakci světla s materiálem přidáním velmi tenké keramické vrstvy. Postupnou změnou této vrstvy ze 7 nm až na 53 nm bylo možno zlepšovat vazbu pro specifické vlnové délky světla. Výsledkem byly překvapivě jasné strukturální barvy.
Fyzici zjistili, že když světlo dopadá na povrch zkoumaného materiálu, spojuje se s povrchovými plazmony. Plazmony jsou kvazičástice (kvanta) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách, tedy kolektivní excitace elektronů, které se potom zachycují na neuspořádaném povrchu. Tím se vytvářejí oblasti, ve kterých je elektrická permitivita (fyzikální veličina, která udává vztah mezi vektory intenzity elektrického pole a elektrické indukce) blízká nule. Ty jsou pak odděleny oblastmi s vysokým indexem lomu. Vrstva oxidu hliníku mění tyto dynamické vlastnosti a zvyšuje odraz světla různých vlnových délek, a to v závislosti na její tloušťce.
Nová technologie je založena na jednoduchých chemických procesech a může produkovat jasné a intenzivní barvy ve velkém prostorovém rozsahu. Předcházející pokusy o vytvoření strukturálních barev kladly důraz na spojování polí identických stavebních bloků nebo jednotkových buněk. Tento přístup byl však úspěšný pouze ve velmi malém rozsahu a byl zcela nevhodný pro průmyslové používání ve velkých měřítkách. Nový materiál založený na neuspořádanosti otevírá tuto technologii reálnému používání v komerčních aplikacích.
Nový způsob přípravy strukturních barev má široký potenciál například pro technologii tisku a pro různé další aplikace, jako jsou speciální biologické tkáně nebo přizpůsobivé maskovací materiály. Protože jsou barvy mechanicky odolné a extrémně lehké, mohly by nalézt uplatnění také v automobilovém a leteckém průmyslu, kde váha přímo ovlivňuje spotřebu paliva.
Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
MFF zve
Na pozvání Učené společnosti ČR navštíví ve čtvrtek 13. dubna (velikonoční „Zelený čtvrtek“) Prahu přední matematik světového formátu, nositel Fieldsovy medaile a mnoha dalších ocenění, profesor Cédric Villani, ředitel Institutu Henri Poincaré v Paříži a profesor univerzity Claude Bernarda v Lyonu. Profesor Villani přednese dvě přednášky:
Of particles, stars and eternity
Of triangles, gases, prices and men
Podrobnosti
