Как окрасить пластик без красителей?

Исследователи из Киотского университета научились наносить цветные изображения на прозрачные пластики без помощи чернил.

Цвет у нас практически всегда ассоциируется с краской, обмакнув в которую кисть, можно что-нибудь покрасить или нарисовать. Хотя использование кисти – совсем необязательное условие, обойтись можно и любым подручным инструментом: от собственного пальца до сложнейшего типографского оборудования.

Но не важно, чем и как вы наносите краску, во всех случаях цвет предметам придают пигменты или красители – вещества, которые по-разному поглощают и отражают свет разных длин волн. Цвет краски, содержащей пигмент, создаётся за счёт того, что он «забирает» себе из падающего света часть спектра, и если он поглощает свет во всём видимом диапазоне, предмет воспринимается нашим глазом как чёрный. Окраску придают не только пигменты. Полимеры, в частности, полистирол, окрашивают растворимыми в мономере красителями, или вводят краситель в раствор или расплав полимера. Цвет окрашенного красителем прозрачного тела зависит от того, какую часть спектра краситель «заберет» при прохождении через него.

Но можно ли создать цвет с помощью бесцветных веществ?
За примером ходить далеко не нужно, достаточно лишь вспомнить, как выглядит масляная плёнка на поверхности воды – из двух прозрачных и бесцветных веществ получаются все цвета радуги. Происходит это благодаря явлению, которое называется интерференция: из-за отражения от нижней и верхней стороны тонкой плёнки лучи с определёнными длинами волн могут усиливать друг друга, в то время как другие будут друг друга гасить. Поскольку толщина плёнки постоянно меняется, то и компоненты падающего и отражённого света будут всё время по-разному «перетасовываться», в результате чего мы и наблюдаем в масляных лужах разноцветную палитру красок. Интерференция возможна не только в плёнках, но и на различных поверхностях с очень тонкими чередующимися полосками или углублениями – это термин получил название «структурная окраска».

В природе такой способ синтеза цвета применяется уже миллионы лет – им с успехом, к примеру, пользуются бабочки и птицы. Цвет чешуйкам и перьям придают не пигменты (ну или не только пигменты), а особая микроструктура поверхности. Поэтому нет ничего удивительного в желании научиться создавать подобные искусственные «краски».

Исследователи из Киотского университета описали в статье в Nature способ окрашивания прозрачных пластиков без использования чернил. В качестве демонстрации возможностей этого метода они даже напечатали на куске пластика размером 1 миллиметр известную гравюру XIX века «Большая волна в Канагаве» японского художника Кацусики Хокусая.

Технология получения изображения на прозрачном пластике состоит из двух этапов. Сначала исследователи изготовили тонкую плёнку из полистирола с добавлением особого вещества – фотоинициатора, после чего создали в этом материале стоячую световую волну. Что же получилось на выходе?

Под действием света молекулы фотоинициатора склеивают между собой молекулы полимера. Представьте себе большую кастрюлю полную спагетти – это будет аналогия длинных полимерных молекул. Если мы сольём воду, то через какое-то время содержимое нашей кастрюли слипнется и превратится в один большой комок – то же самое происходит, когда фотоинициатор сшивает молекулы полимера. Однако в эксперименте используется не обычный свет, а стоячая волна, что довольно сильно меняет общую картину.

Любая стоячая волна представляет собой чередование узлов и пучностей. Если взять в качестве примера гитарную струну, то узлам будут соответствовать неподвижные точки на колеблющейся струне, а пучностям – точки, колеблющиеся с максимальной амплитудой. В случае света всё остаётся принципиально тем же, с той лишь разницей, что вместо колебания струны, мы будем наблюдать колебания электромагнитного поля. Поэтому в узлах стоячей световой волны, можно сказать, света как будто бы нет, а в местах пучностей – свет есть. Поскольку фотоинициатор сшивает молекулы полимера только «на свету», то стоячая волна в полимере приведёт к чередующимся слоям сшитых и несшитых молекул.

Возвращаясь к нашей макаронной аналогии, это бы означало, что в кастрюле образовался бы не один цельный комок, а чередовались бы слои со склеившимися и относительно свободными спагетти.

На втором этапе полимерную пластинку с чередующимися сшитыми и несшитыми полимерными слоями помещают в растворитель, под действием которого полимер слегка «набухает», но делает он это очень неравномерно. Сшитые слои практически не меняются, в то время как несшитые сильно увеличиваются в размерах вплоть до образования микропустот. Получается своеобразный полимерный бутерброд, в котором плотные сшитые полимерные слои чередуются с рыхлыми несшитыми. А это как раз та самая структурная окраска, о которой мы говорили в начале заметки.

В зависимости от того, насколько сильно раздвинулись слои, меняется и цвет материала. Поэтому меняя параметры стоячей волны, температуру и время действия растворителя можно получать желаемый цвет у прозрачного полистирола.

Главное преимущество такой технологии состоит в том, что она позволяет создавать качественные цветные изображения без использования краски и пигментов. Это не только уменьшает количество вредных веществ на производстве, но и делает материал более пригодным для вторичной переработки.

По материалам Nature