В мире природы есть два основных способа отображения цвета: от птичьих перьев до кожуры фруктов: через пигментные вещества, обеспечивающие избирательное поглощение цвета, или через структурный цвет - использование микроскопических структур для управления отражением света.
Теперь ученые разработали компьютерную модель, которая объясняет, почему самые яркие матовые структурные цвета в природе почти всегда являются синими и зелеными: потому что это пределы структурного цвета в видимом спектре света.
Помимо лучшего понимания того, как в естественном мире создаются самые яркие синие и зеленые оттенки, эти исследования также могут иметь важное значение для разработки ярких, экологически чистых красок и покрытий, которые не выцветают со временем и не выделяют токсичные химические вещества.
«В дополнение к своей интенсивности и устойчивости к выцветанию матовая краска, в которой используется структурный цвет, также была бы гораздо более экологичной, поскольку не потребовались бы токсичные красители и пигменты», - говорит физик Джанни Джакуччи из Кембриджского университета в Великобритании.
«Однако сначала нам нужно понять, каковы ограничения для воссоздания этих типов цветов, прежде чем станет возможным какое-либо коммерческое применение».
Что касается структурного цвета, наноразмерный каркас на поверхности определяет сам фактический цвет.
Иногда - например, на павлиньих перьях - этот цвет может быть переливающимся и переходить между цветовыми оттенками под разными углами и при разном освещении. Они производятся упорядоченными кристаллическими структурами.
Павлиньи перья - классический образец структурной окраски. Фото: Tj Holowaychuk / Unsplash
С другими структурами вы получаете матовый цвет, в котором не возникают изменения из-за неупорядоченных структур; в природе это наблюдается только при получении синих и зеленых оттенков. Суть нового исследования заключалась в том, чтобы увидеть, было ли это внутренним врожденным ограничением указанных структур.
Новая компьютерная модель, основанная на искусственных материалах, называемых фотонными стеклами, показывает, что красный действительно выходит за рамки методов рассеяния матовых структурных цветов: длинноволновая область видимого спектра не может быть легко отражена с помощью техники этих микроскопических поверхностных структур.
«Из-за сложного взаимодействия между однократным и многократным рассеянием, а также вкладов коррелированного рассеяния, мы обнаружили, что помимо красного, также желтого и оранжевого трудно достичь», - говорит химик Сильвия Виньолини из Кембриджского университета.
Цвета Бирюзовой настоящей континги (Cotinga maynana) демонстрируют яркий структурный матовый синий цвет. Фото: redabbott/iNaturalist/CC-BY-NC)
Наверное, поэтому яркие матовые красные тона производятся с использованием природных пигментов, а не структурного цвета. Команда считает, что эволюция природы привела к появлению различных способов получения красных цветов из-за ограничений структур, лежащих в основе.
Узнав больше о том, как создаются эти матовые структурные цвета, мы приблизимся к производству красок, не содержащих пигментов и красителей, что является значительным шагом вперед в создании долговечных и экологически чистых материалов для многих областей применения.
Однако до этого все еще далеко, и похоже, что для красных и оранжевых потребуется другой подход - другие виды наноструктур могут справиться с этой задачей после того, как будет проведено более подробное исследование, но пока материаловеды сталкиваются с теми же проблемами, что и мир природы.
«Когда мы пытались искусственно воссоздать матовый структурный цвет для красных или оранжевых тонов, мы получали некачественный результат как с точки зрения насыщенности, так и чистоты цвета», - говорит химик Лукас Шертель из Кембриджского университета.
Исследование было опубликовано в журнале PNAS.
Источник: ScienceAlert
