استوحى الباحث بجامعة سنترال فلوريدا ديباشيس تشاندا، الأستاذ في مركز تكنولوجيا العلوم النانوية التابع لجامعة كاليفورنيا ، الإلهام من الفراشات لابتكار أول بديل صديق للبيئة وواسع النطاق ومتعدد الألوان للملونات القائمة على الأصباغ، والتي يمكن أن تسهم في جهود توفير الطاقة وتساعد في تقليل الاحتباس الحراري.
طور أحد الباحثين دهاناً صديقاً للبيئة وخفيف الوزن وطويل الأمد مستوحى من الفراشات. إذ بدلاً من استخدام جزيئات الصباغ المركبة صناعياً، يستخدم الطلاء البلازموني ترتيبات هيكلية نانوية لمواد عديمة اللون، مثل أكسيد الألومنيوم والألمنيوم، وذلك لإنتاج الألوان. هذا اللون الهيكلي أكثر صداقة للبيئة وكفاءة في استخدام الطاقة، لأنه يعكس طيف الأشعة تحت الحمراء بأكمله، مما يحافظ على برودة الأسطح ويحتمل أن يقلل من استخدام تكييف الهواء. كما أن الطلاء خفيف الوزن للغاية، حيث تم الحصول على لون كامل بسماكة 150 نانومتر فقط، ما يجعله أخف طلاء في العالم. ستركز الأبحاث المستقبلية على زيادة الإنتاج واستكشاف إمكانات توفير الطاقة للطلاء للتطبيقات التجارية.
يقول تشاندا: إن مجموعة الألوان والأشكال في العالم الطبيعي مذهلة - من الزهور الملونة والطيور والفراشات إلى الكائنات الموجودة تحت الماء مثل الأسماك ورأسيات الأرجل. يعمل اللون الهيكلي كآلية أساسية لتوليد اللون في العديد من الأنواع الزاهية للغاية حيث ينتج الترتيب الهندسي لمادة عديمة اللون عادةً كل الألوان. من ناحية أخرى، مع صبغة من صنع الإنسان، هناك حاجة إلى جزيئات جديدة لكل لون موجود.
بناءً على هذا الإلهام الحيوي، ابتكر فريق البحث التابع لشركة تشاندا طلاء بلازمونيك، والذي يستخدم الترتيب الهيكلي النانوي للمواد عديمة اللون - الألومنيوم وأكسيد الألومنيوم - بدلاً من الأصباغ لإنشاء الألوان.
بينما تتحكم الملونات الصباغية في امتصاص الضوء بناءً على الخاصية الإلكترونية لمادة الصباغ، وبالتالي يحتاج كل لون إلى جزيء جديد، تتحكم الملونات الهيكلية في طريقة انعكاس الضوء أو تشتيته أو امتصاصه بناءً على الترتيب الهندسي للبنى النانوية.
هذه الألوان الهيكلية صديقة للبيئة لأنها تستخدم المعادن والأكاسيد فقط، على عكس الألوان القائمة على الأصباغ الحالية التي تستخدم جزيئات اصطناعية.
قام الباحثون بدمج رقائق الألوان الهيكلية الخاصة بهم مع مادة رابطة تجارية لتشكيل دهانات طويلة الأمد من جميع الألوان.
يقول تشاندا: يتلاشى اللون الطبيعي لأن الصبغة تفقد قدرتها على امتصاص الفوتونات. هنا، لسنا مقيدين بهذه الظاهرة. بمجرد أن نرسم شيئاً ما بلون بنيوي، فإنه سوف يبقى لقرون.
بالإضافة إلى ذلك، نظراً لأن الطلاء البلازموني يعكس طيف الأشعة تحت الحمراء بالكامل، فإن الطلاء يمتص حرارة أقل، ما يؤدي إلى بقاء السطح السفلي بمقدار 25 إلى 30 درجة فهرنهايت أكثر برودة مما لو كان مغطى بطلاء تجاري قياسي، كما يقول الباحث.
يقول تشاندا: أكثر من 10 بالمئة من إجمالي الكهرباء في الولايات المتحدة تذهب لاستخدام مكيفات الهواء. الفرق في درجات الحرارة وعود الطلاء البلازموني سيؤدي إلى توفير كبير في الطاقة. إن استخدام قدر أقل من الكهرباء للتبريد من شأنه أن يقلل أيضاً من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ويقلل من ظاهرة الاحتباس الحراري. يقول الباحث إن طلاء بلازمونيك خفيف الوزن للغاية. ويرجع ذلك إلى نسبة مساحة الطلاء الكبيرة بالنسبة إلى السماكة، مع تحقيق التلوين الكامل بسماكة 150 نانومتر فقط، ما يجعله أخف طلاء في العالم، كما يقول تشاندا.
الطلاء خفيف الوزن لدرجة أن حوالي 3 أرطال فقط من هذا الطلاء البلازموني يمكن أن يغطي طائرة بوينغ 747، والتي تتطلب عادة أكثر من 1000 رطل من الطلاء التقليدي، كما يقول.
يقول تشاندا إن اهتمامه بالألوان الهيكلية ينبع من حيوية الفراشات. عندما كنت طفلاً، كنت أرغب دائماً في بناء فراشة. فاللون يثير اهتمامي دائماً.
بحث مستقبلي
يقول تشاندا إن الخطوات التالية للمشروع تشمل المزيد من الاستكشاف لجوانب توفير الطاقة للطلاء لتحسين جدواها كطلاء تجاري. ويتابع: صُنع طلاء الأصباغ التقليدي في منشآت كبيرة حيث يمكنهم إنتاج مئات الغالونات من الطلاء. في هذه اللحظة، ما لم نمر بعملية التوسع، لا يزال الإنتاج في مختبر أكاديمي مكلفاً. نحتاج إلى إحضار شيء مختلف إلى الطاولة لا تستطيع الدهانات التقليدية الأخرى تقديمه مثل عدم السمية، وتأثير التبريد، والوزن الخفيف.
الباحث تشاندا لديه محاضرات وأبحاث مشتركة في مركز تكنولوجيا علوم النانو التابع لجامعة كاليفورنيا، قسم الفيزياء وكلية البصريات والضوئيات. حصل على الدكتوراه في الضوئيات من جامعة تورنتو وعمل زميلاً لما بعد الدكتوراه في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين. انضم إلى UCF في خريف 2012.
خلاصة
تعتمد جميع الألوان التجارية الحالية على أصباغ. في حين أن هذه الملونات التقليدية القائمة على الأصباغ توفر منصة تجارية للحجم الكبير وعدم الحساسية للزاوية، إلا أنها محدودة بسبب عدم استقرارها في الغلاف الجوي، وتلاشي اللون، والسمية البيئية الشديدة. لقد فشل الاستغلال التجاري للتلوين الإنشائي الاصطناعي بسبب الافتقار إلى أفكار التصميم وتقنيات التصنيع النانوي غير العملية. هنا، نقدم تجويفاً بلازمونياً بطول الموجة الفرعية تم تجميعه ذاتياً يتغلب على هذه التحديات مع تقديم منصة مخصصة لتقديم زاوية وألوان هيكلية زاهية مستقلة عن الاستقطاب. يتم تصنيعها من خلال تقنيات واسعة النطاق، ونحن ننتج دهانات قائمة بذاتها جاهزة للاستخدام على أي طبقة سفلية. توفر المنصة تلويناً كاملاً بطبقة واحدة من الصبغة، وكثافة سطحية تبلغ 0.4 غم/ م2، ما يجعلها أخف طلاء في العالم.
----