به دقت به هوکوسای نگاه کنید موج بزرگ کاناگاوایکی از مشهورترین آثار هنری ژاپن است و سفیدهای درخشان تقریباً در صحنه نقاشی شده اند. اما کف سفید امواج، برفی که کوه فوجی را پوشانده، و ابرهای آسمان هیچ رنگدانه سفیدی ندارند. روشنایی آنها از پراکندگی نور از الیاف در معرض کاغذ واشی سنتی ناشی می شود.
این اثر به عنوان سفیدی ساختاری شناخته می شود. به جای تکیه بر یک ماده رنگی، از نحوه تعامل ساختار میکروسکوپی ماده با نور پدیدار می شود.
همان پدیده اساسی در سراسر طبیعت رخ می دهد. اسپری دریا، ابرها و برف به رنگ سفید عمیق به نظر می رسند، زیرا ساختارهای آنها نور مرئی را به طور بسیار موثری پراکنده می کنند. اثرات مشابهی را می توان در بافت های گیاهی و حتی در لانه های محافظ کف آلود ساخته شده توسط برخی قورباغه ها یافت. در بسیاری از موارد این ساختارها عمدتاً از هوا تشکیل شده‌اند، اما می‌توانند سفیدی قابل توجهی را بدون هیچ رنگدانه‌ای ایجاد کنند.
این استراتژی طبیعی الهام‌بخش یک تیم بین‌المللی به رهبری پروفسور ایسان سیوانیا از موسسه علوم یکپارچه مواد سلولی دانشگاه کیوتو (iCeMS) بود که با محققان دانشگاه متروپولیتن توکیو و دانشگاه دونگ‌هوا کار می‌کردند. هدف آنها ایجاد یک پلتفرم جدید برای مواد مبتنی بر فوم بود که بتواند دو چالش عمده را که مواد پرکاربرد با آن مواجه هستند، برطرف کند.
جایگزین های دی اکسید تیتانیوم و PFAS
بسته بندی سفید، فیلم ها و پوشش ها اغلب به دی اکسید تیتانیوم (TiOO) بستگی دارد2) که هم روشنایی و هم شفافیت را فراهم می کند. با این حال، نگرانی های ایمنی اخیراً اتحادیه اروپا را بر آن داشت تا دی اکسید تیتانیوم را به عنوان یک افزودنی غذایی ممنوع کند.
گروه دیگری از مواد شیمیایی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند به نام PFAS به مواد کمک می کنند تا آب و روغن را دفع کنند. این مواد فلوئوردار به دلیل اینکه می توانند در محیط باقی بمانند و خطرات زیست محیطی و سلامتی را به همراه داشته باشند، مورد توجه روزافزونی قرار می گیرند. این نگرانی ها به تلاش های جهانی برای یافتن جایگزین ها دامن زده است.
محققان با تمرکز بر ساختار فیزیکی به جای مواد شیمیایی اضافه شده به هر دو مشکل نزدیک شدند. آنها مواد متخلخل با دقت کنترل شده ای ایجاد کردند که روشی را تقلید می کند که فوم طبیعی نور را پراکنده می کند، در حالی که از سطوح ضد آب موجود در برگ ها و گلبرگ های گل الهام می گیرند.
تائیکی یاناگیشیما، دانشیار دانشگاه متروپولیتن توکیو، گفت: «یک چالش کلیدی پیش روی علم بیومیمتیک، تحقق طرح‌های مواد زیست‌محیطی الهام‌گرفته از طبیعت در مقیاس و هزینه مواد موجود است.
سبک و حلال ملایم کف را ایجاد می کند
روش تولید نسبتا ساده است. ابتدا پلیمر در معرض نور قرار می گیرد. این نور پلیمر را به قطعات مولکولی کوچکتر تجزیه می کند. سپس این ماده با یک حلال ملایم درمان می شود که با این قطعات تعامل می کند و باعث متورم شدن پلیمر می شود.
همانطور که ماده منبسط می شود، شبکه ای باز از منافذ میکروسکوپی ایجاد می کند. این تبدیل واحد به ماده دو خاصیت مفید می دهد.
در داخل این ماده، ساختار متخلخل نور را به‌طور مؤثری پخش می‌کند که بدون هیچ رنگدانه‌ای سفید عمیق به نظر می‌رسد. در سطح، فوم یک بافت بسیار خشن ایجاد می کند که به شدت آب را دفع می کند، شبیه به سطح برگ نیلوفر آبی.
تیم این فرآیند را فوتولیتوگرافی فوم عمیق (DFP) نامیده است.
از فیلم های پلیمری گرفته تا پارچه ها
با همکاری محققان نساجی از دانشگاه Donghua، یکی از موسسات پیشرو در علوم و مهندسی نساجی، محققان نشان دادند که این روش بر روی فیلم‌های چاپ پلیمری بیشتر کار می‌کند. همچنین می توان آن را روی پارچه ها اعمال کرد.
مزیت دیگر این است که این فرآیند به توسعه مواد شیمیایی کاملاً جدید وابسته نیست. محققان قبلاً DFP را با استفاده از چندین پلیمر تجاری در دسترس نشان داده اند.
پلت فرم به دست آمده برای مواد چاپی می تواند به وضوح فوق العاده بالا (20000 DPI) دست یابد. در عین حال، سفیدی ساختاری را با عملکرد مدیریت آب بدون دی اکسید تیتانیوم و بدون PFAS ترکیب می کند.
تعبیه تابع در خود ماده
این رویکرد می‌تواند فرصت‌های جدیدی برای مواد سبک‌تر ایجاد کند و در عین حال وابستگی به رنگدانه‌های معدنی و مواد شیمیایی فلوئوردار پایدار را کاهش دهد.
به جای افزودن رنگدانه ها برای تولید رنگ یا اعمال پوشش های شیمیایی پایدار برای کنترل نحوه تعامل سطوح با آب، محققان این خواص را مستقیماً در ساختار فیزیکی مواد ایجاد می کنند.
این فناوری با استفاده از معماری میکروسکوپی برای کنترل نور و آب، رویکردی اساساً متفاوت و بالقوه پایدارتر برای طراحی مواد روزمره ارائه می‌کند. به جای وابستگی در درجه اول به شیمی، خود ماده برای ارائه عملکرد مورد نظر ساختاری دارد.
