Opaalachtige kleuren maken op industriële schaal

Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om materialen te maken die licht verstrooien in intense kleuren en van kleur veranderen als ze worden gedraaid of uitgerekt, door microscopisch kleine knikkers te stapelen in regelmatige lagen. Met deze nieuwe methode is het mogelijk om dit materiaal, dat bekend staat als ‘polymeer-opaal’, op industriële schaal te produceren, melden de onderzoekers in een publicatie in Nature Communications. De Utrechtse scheikundige Andrei Petukhov verzorgde de small-angle X-ray scattering-data die is gebruikt in het onderzoek.

Opalen, vlindervleugels en kevers hebben enkele van de helderste kleuren in de natuur. Deze kleuren worden niet veroorzaakt door kleurstoffen of pigmenten, maar door de systematisch geordende microstructuren in deze materialen. Het team achter het onderzoek, met name werkzaam aan de University of Cambridge, werkte al jaren aan methoden om deze ‘structurele kleur’ kunstmatig te creëren​​, maar tot op heden was er nog geen productiemethode goedkoop genoeg om deze materialen massaal te produceren. Het team heeft nu echter een manier gevonden om vellen van dit materiaal te maken op industriële schaal, wat toepassingen in bijvoorbeeld kleding en beveiliging van bankbiljetten mogelijk maakt.

Intense kleur

De polymeer-opalen worden gemaakt van grote hoeveelheden transparante plastic nano-bolletjes met een vaste kern en een plakkerige buitenkant. De bolletjes worden gedroogd tot een gestolde massa. Door vellen met deze bolletjes daartussen te buigen, worden de bolletjes in een structuur van perfect geordende stapels geduwd. Het resulterende materiaal heeft een intense, opaal-achtige kleur.

Kameleon-achtige materialen

Door de afmetingen van de nano-bolletjes te veranderen, is het mogelijk om verschillende golflengten van licht te reflecteren en daarmee verschillende kleuren te produceren. Omdat het materiaal een rubberachtige consistentie heeft, verandert de afstand tussen de bolletjes wanneer het materiaal wordt vervormd, waardoor de kleur van het materiaal verandert. Als het materiaal wordt uitgerekt, verschuift de kleur richting het blauwe deel van het spectrum, en wanneer het wordt samengedrukt, verschuift de kleur richting rood. Na loslaten keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke kleur. Dergelijke kameleon-achtige materialen kunnen gebruikt worden om behang te maken dat van kleur verandert of coatings die infrarode warmtestraling reflecteren.

Nederlands-Belgische beamline

Een belangrijk onderdeel van dit onderzoek was een studie naar het effect van verschillende behandelingsparameters op de structuur die wordt gevormd door de plastic nanobolletjes. Dit onderzoek is uitgevoerd bij de Dutch-Belgian Beamline (DUBBLE) in Grenoble. De Universiteit Utrecht heeft een belangrijke rol gespeeld bij het opzetten van het DUBBLE-project en in het gebruiken ervan. Sinds 2000 zijn DUBBLE-resultaten gebruikt in meer dan 1100 wetenschappelijke publicaties, waaronder 180 proefschriften. Van deze proefschriften is ongeveer één op de zeven verdedigd aan de Universiteit Utrecht.

Publicatie: Q. Zhao et al. “Large-scale ordering of nanoparticles using viscoelastic shear processing”, Nature Communications (2016); DOI: 10.1038/ncomms11661