Renk oluşturmanın yeni bir yolu, belirli dalga boylarındaki ışığın küçük, neredeyse mükemmel yuvarlak silikon kristalleri etrafında saçılmasını kullanıyor. Kobe Üniversitesi’nin geliştirdiği bu yöntem, görüş açısına bağlı olmayan ve baskı yapılabilen (printed), solmayan
yapısal renkler elde edilmesini sağlıyor. Bu malzeme düşük çevresel ve biyolojik etkiye sahip ve geleneksel boyalara göre önemli ağırlık iyileştirmeleri vaat ederek son derece ince bir şekilde uygulanabiliyor.
Bir nesne, belirli bir dalga boyundaki ışık yansıtıldığında renk alır. Geleneksel pigmentlerde bu, moleküllerin beyaz ışıktan diğer renkleri emmesiyle gerçekleşir, ancak zamanla bu etkileşim moleküllerin bozulmasına ve rengin solmasına neden olur. Öte yandan, yapısal
renkler genellikle ışığın doğru mesafeye yerleştirilmiş paralel nano yapılardan yansıtılmasıyla ortaya çıkar, böylece yalnızca belirli dalga boylarındaki ışık hayatta kalırken diğerleri iptal edilir ve yalnızca gördüğümüz rengi yansıtır.
Bu fenomen, kelebeklerin kanatlarında veya tavus kuşlarının tüylerinde görülebilir ve renklerin bozulmaması avantajına sahiptir. Ancak endüstriyel açıdan bakıldığında, düzgün bir şekilde düzenlenmiş nanoyapılar kolayca boyanamaz veya basılamaz. Renk, görüş açısına bağlı olduğundan, malzeme renk değiştiren, yanardöner bir görünüme sahip olur.
Kobe Üniversitesi malzeme mühendisleri Fujii Minoru ve Sugimoto Hiroshi ise renk üretmek için tamamen yeni bir yaklaşım geliştiriyor. Silikon nano kürelerden oluşan tek bir katman, görüş açısından bağımsız parlak yapısal renkler üretiyor. Renk, daha küçük parçacıkların daha mavi ve daha büyük olanların daha kırmızı olduğu kürelerin çapıyla kontrol edilebiliyor.
Silikon nano kürelerden oluşan tek bir katman, görüş açısından bağımsız parlak yapısal renkler üretir
Araştırmacılar çalışmalarıyla ilgili olarak “2020’den bu yana yapılan önceki çalışmalarda, hassas partikül boyutu kontrolü elde eden ve küresel ve kristal silikon
nanopartiküllerin kolloidal süspansiyonlarını geliştiren ilk biz olduk. Bu tek silikon nanoparçacıklar, ‘Mie rezonansı’ olgusuyla ışığı parlak renklerde saçarak yapısal renkli mürekkepler geliştirmemizi sağlıyor” şeklinde bilgi verdiler.
Mie rezonansında, ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilir boyuttaki küresel parçacıklar belirli dalga boylarını özellikle güçlü bir şekilde yansıtır. Bu, esas olarak süspansiyondan geri gelen rengin, sadece parçacıkların boyutunu değiştirerek kontrol edilebileceği anlamına geliyor.
ACS Applied Nano Materials’ta yayınlanan çalışmalarında Fujii ve Sugimoto, süspansiyonun
yüzeylere uygulanabileceğini ve böylece alttaki malzemeyi görüş açısına bağlı olmayan bir yapısal renk biçiminde kaplayacağını gösteriyor. Bunun nedeni, rengin “geleneksel” yapısal renklerde olduğu gibi komşu yapılardan yansıyan ışığın etkileşimiyle değil, tek tek nano kürelerin etrafındaki yüksek verimli saçılmasıyla üretilmesidir.
Sugimoto bir başka avantajı da şöyle açıklıyor: “Sadece 100-200 nanometre kalınlığında
seyrek dağılmış silikon nanoparçacıklardan oluşan tek bir katman parlak renkler gösteriyor ancak metrekare başına yarım gramdan daha az ağırlığa sahip. Bu da silikon nano kürelerimizi dünyanın en hafif renkli kaplamalarından biri haline getiriyor.”
Kobe Üniversitesi ekibi, parçacıkların boyutunu ve aralarındaki mesafeyi değiştirmek gibi farklı koşullar altında mürekkebin özelliklerini keşfetmek için hesaplamalı simülasyonlar kullandı ve ardından sonuçlarını deneysel olarak doğruladı. Sezgilerin aksine, parçacıklar
sıkıca paketlendiğinde değil de birbirinden ayrıldığında yansıtma oranının en yüksek olduğunu buldular.
Yazarlar bu durumu şöyle açıklıyor: “Nano kürelerin yüzeyi çok az kaplamasına rağmen bu yüksek yansıma, çok büyük saçılma verimliliğinden kaynaklanıyor. Renklendirme için çok az miktarda silikon kristali gerekliliği, renk pigmenti olarak uygulamada bir avantajdır.” Araştırmacılar daha fazla geliştirme ve iyileştirmeden sonra, teknolojilerinin ilginç uygulamalarını bekliyorlar. Sugimoto bunu şöyle açıkladı: “Bunu örneğin, uçakların kaplamasına uygulayabiliriz. Bir uçağın üzerindeki pigmentler ve kaplamalar birkaç yüz kilogram ağırlığa sahiptir. Nanosfer tabanlı mürekkebimizi kullanırsak ağırlığı bunun %10’undan daha azına indirebiliriz.”
More information: Monolayer of Mie-Resonant Silicon Nanospheres for Structural Coloration, ACS Applied Nano Materials (2024). DOI: 10.1021/acsanm.3c04689 / Provided by Kobe University
