ابتكر الباحثون في جامعة كوبي "حبرًا ملونًا هيكليًا" جديدًا يبلغ سمكه 100-200 نانومتر فقط ويعرض ألوانًا زاهية من زاوية رؤية واسعة دون أن يبهت، بينما يزن أقل من نصف جرام لكل متر مربع (0.002 أونصة لكل قدم مربع). تمتص الدهانات والأصباغ الشائعة أطوال موجية معينة من الضوء وتعكس أطوال موجية أخرى، ولكن هذا غالبًا ما يؤدي إلى تحللها على المستوى الجزيئي، مما يسبب التلاشي.
من ناحية أخرى، تعكس الألوان الهيكلية الطيف الكامل للضوء من الهياكل النانوية المتوازية والمتباعدة تمامًا لإلغاء أطوال موجية معينة من الضوء. وهذا التأثير هو الذي يمنح أجنحة الفراشة وريش الطاووس لونهما اللامع والرائع. نظرًا لعدم امتصاص الضوء، بل ينعكس فقط عن الهيكل، فإن اللون لا يبهت، لكن التأثير غالبًا ما يعتمد كثيرًا على زاوية الرؤية، مما يؤدي إلى قوس قزح مبهر من الألوان الجميلة جدًا بطبيعتها ولكنها غير تقليدية بعض الشيء بالنسبة لمعظم الألوان الصناعية.
بحث فريق كوبي عن طريقة جديدة لإنشاء اللون الهيكلي. وبدلاً من استخدام الهياكل النانوية المتوازية، تستخدم طريقتهم كرات سيليكون بلورية صغيرة. من خلال ظاهرة تسمى "رنين مي"، تعكس هذه الكرات النانوية أطوال موجية معينة بقوة أكبر بكثير من غيرها، وتختلف هذه الأطوال الموجية مع تغير حجم الجسيمات.
وبعبارة أخرى، فإن تغيير حجم هذه الجزيئات يغير لون المادة. وبما أن الكرة تعكس الضوء في كل الاتجاهات، فلا يوجد تأثير قوس قزح. وقد أثبت الباحثون أن هذه الأحبار يمكن طباعتها. من الجدير بالذكر أن اللون يكون أقوى عندما يكون لدى النانوسفير مساحة صغيرة حوله، بدلًا من أن يكون متماسكًا معًا بإحكام، لذا فإن الأقل هو الأكثر.
وقال هيروشي سوجيموتو، مهندس المواد في كوبي، في بيان صحفي: "يمكن لطبقة من جسيمات السيليكون النانوية الموزعة بشكل متناثر بسمك 100-200 نانومتر فقط أن تعرض ألوانًا زاهية ولكنها تزن أقل من نصف جرام لكل متر مربع. وهذا يجعل كرات السيليكون النانوية الخاصة بنا واحدة من الأخف وزنًا في العالم".
تعد صناعة الطيران واحدة من أكثر المجالات التي تحتاج إلى طلاءات خفيفة الوزن للغاية. ووفقا لشركة SimpleFlying، يتراوح وزن الطلاء الذي تحمله طائرات الركاب من 272 إلى 544 كيلوجرامًا (600 إلى 1200 رطل)، وأي شيء تحمله الطائرة سيؤثر بشكل مباشر على كفاءة استهلاك الوقود.
وقال سوجيموتو: "إذا استخدمنا حبرًا يعتمد على كرات نانوية، فقد نتمكن من تقليل الوزن إلى أقل من 10 بالمائة".
لذلك أينما ذهبت الطائرة، فإنها تحرق كمية أقل من الوقود - تقريبًا نفس ما يحدث مع خمسة أو ستة ركاب أقل من الذكور البالغين.
بالإضافة إلى ذلك، يتلاشى الطلاء العادي بسهولة، مما يتطلب إعادة طلاء ما يصل إلى 455 لترًا (120 جالونًا) من الطلاء، بتكلفة 200 ألف دولار. تتميز هذه الأحبار الملونة الهيكلية الجديدة بأنها ثابتة الألوان تمامًا، لذلك على الرغم من تكلفتها مقدمًا أكثر، إلا أنه يمكن استخدامها لأجل غير مسمى، مما يؤدي إلى توفير التكلفة على مدار عمر الطائرة.
غالبًا ما يتم استخدام الطائرات التجارية لعقود من الزمن، وبمجرد أن يتم وضع هذه الأحبار الملونة الهيكلية الرفيعة للغاية في مرحلة الإنتاج، ستكون هناك آفاق تجارية جيدة.
تم نشر البحث في مجلة ACS Applied Nanomaterials، والفيديو أدناه يوضح الأحبار.