Lichtgewicht coating weegt amper 10% van het gewicht van traditionele verf

Over het onderzoek

Het team geeft aan dat ze een nieuwe manier hebben gevonden om kleur te creëren door het licht van specifieke golflengten rond kleine, bijna perfect ronde siliciumkristallen te verstrooien. Volgens materiaalingenieurs Fujii Minoru en Sugimoto Hiroshi van de Universiteit van Kobe krijgt een voorwerp kleur wanneer licht van een specifieke golflengte wordt weerkaatst. Bij traditionele pigmenten gebeurt dit doordat moleculen andere kleuren uit wit licht absorberen, maar na verloop van tijd zorgt deze interactie ervoor dat de moleculen afbreken en de kleur vervaagt.

Daarnaast ontstaan structurele kleuren meestal wanneer licht wordt weerkaatst door parallelle nanostructuren die op de juiste afstand van elkaar zijn geplaatst, zodat alleen licht van bepaalde golflengten overleeft terwijl andere worden geneutraliseerd, waardoor alleen de kleur wordt weerkaatst die wij zien. Dit is te zien in vlindervleugels of pauwenveren en zorgt ervoor dat de kleuren niet vervagen. 

Mie-resonantie

De universiteit stelt echter dat vanuit industrieel oogpunt nanostructuren niet gemakkelijk geverfd of geprint kunnen worden, en dat de kleur afhankelijk is van de kijkhoek, waardoor het materiaal iriserend wordt. "In eerder werk sinds 2020 waren wij de eersten die de deeltjesgrootte nauwkeurig konden regelen en colloïdale suspensies van bolvormige en kristallijne silicium nanodeeltjes konden ontwikkelen. Deze afzonderlijke silicium nanodeeltjes verstrooien licht in heldere kleuren door het fenomeen 'Mie-resonantie', waardoor we structurele kleuren kunnen ontwikkelen," legden de onderzoekers uit.

De suspensie kan oppervlakken bedekken met een vorm van kleur die niet afhankelijk is van de kijkhoek

University of Kobe - De suspensie kan oppervlakken bedekken met een vorm van kleur die niet afhankelijk is van de kijkhoek

Efficiënte verstrooiing

Fujii en Sugimoto hebben nu aangetoond dat de suspensie op oppervlakken kan worden aangebracht en het onderliggende materiaal bedekken met een vorm van kleur die niet afhankelijk is van de kijkhoek. Dit komt doordat de kleur niet ontstaat door de interactie van licht dat gereflecteerd wordt door omringende structuren, zoals bij traditionele structurele kleuren, maar door de efficiënte verstrooiing rond individuele nanosferen. "Eén enkele laag van dun verdeelde silicium nanodeeltjes met een dikte van slechts 100-200 nanometer laat heldere kleuren zien, maar weegt minder dan een halve gram per vierkante meter. Dit maakt het tot één van de lichtste kleurlagen ter wereld," verklaarde Sugimoto. "Ondanks de kleine bedekking van het oppervlak door de nanosferen is de hoge reflectiecoëfficiënt te wijten aan de zeer grote verstrooiingsefficiëntie. De vereiste van een zeer kleine hoeveelheid siliciumkristallen voor de kleuring is een voordeel bij de toepassing als kleurpigment," aldus de wetenschappers.

Nieuwe toepassingen

Ze voegden eraan toe dat het team na verdere ontwikkeling en verfijning nieuwe, interessante toepassingen van hun technologie verwacht. “Als we inkt of verf op basis van nanosferen gebruiken, kunnen we het gewicht misschien terugbrengen tot minder dan 10% daarvan.”

“In eerste instantie zou de nieuwe ontwikkeling toepasbaar zijn op vliegtuigen en kunnen helpen om vliegreizen te verbeteren, brandstof te besparen en de CO2-uitstoot te verminderen”, schrijft Fast Company, een toonaangevend medium dat focust op innovatie in technologie, wereld-veranderende ideeën, creativiteit en design. “Zelfs al maar een klein aantal vliegtuigen de technologie zou gebruiken, kunnen de besparingen op brandstofkosten in de miljoenen lopen, waarbij elk jaar tienduizenden CO2-emissies zouden kunnen worden voorkomen. Met de nieuwe nanodeeltjesverf zou een groot vliegtuig zoals een Boeing 777 elk jaar bijna 76.000 kg brandstof kunnen besparen en een vermindering van ongeveer 239,2 ton CO2 per vliegtuig per jaar realiseren.”

Voorlopig richten de onderzoekers zich op industriële toepassingen, maar ook andere verfapplicaties zullen in de toekomst wellicht van deze nieuwe technologie gebruikmaken.