Materiaalkundigen hopen de bijzondere eigenschappen van vlindervleugels te kunnen aanwenden om producten zoals verf en cosmetica te produceren zonder toxische stoffen.
De helderblauwe kleurschakeringen op de vleugels van de morphovlinders fascineren al lange tijd niet enkel vlinderkundigen maar ook scheikundigen. De interesse van de scheikundigen wordt gewekt door de complexe eiwitstructuren op nanoschaal die gelaagd voorkomen in de vlindervleugels. De vormen van deze eiwitstructuren gedragen zich als prisma‘s die een prachtige azuurblauwe kleur reflecteren. Materiaalkundigen hopen uiteindelijk de eigenschappen van deze structuren te kunnen aanwenden om producten zoals verf en cosmetica te produceren zonder verfstoffen die schadelijk kunnen zijn voor mens en milieu.
Scheikundigen van Cypris Materials, een start-up in Californië, zoeken naar een manier om die ‘structurele kleur’ te kunnen toepassen op een breed gamma aan producten, zonder dat het al te duur wordt. Hoewel het proces lastig was, hebben ze het toch al bijna voor elkaar gekregen. Ze zeggen een kleurstof te hebben ontwikkeld, zonder verfstoffen of pigmenten, die schakeringen kan maken in de ultraviolette, zichtbare en nabij-infrarooddelen van het elektromagnetische spectrum.
De kleurstof zou verschillende toepassingen kunnen hebben, van autoverf tot printerinkt en nagellak. ‘De start-up heeft vooruitgang geboekt in een veld dat dringend toe is aan innovatie. Het ziet ernaar uit dat ze haar werk effectief van het lab naar de praktijk vertaald krijgt. Dat is heel indrukwekkend,’ zegt John Warner, een gerenommeerd onderzoeker bij het bedrijf Zymergen en een pionier in groene chemie, die niet betrokken was bij het werk van Cypris Materials.
Traditionele pigmenten en verfstoffen worden al eeuwenlang gebruikt om kleur te geven aan stoffen, verf en andere alledaagse toepassingen. De manier waarop de klassieke kleurstoffen licht absorberen of reflecteren bepaalt welke schakeringen we zien. Rode verfstof in een truitje bevat bijvoorbeeld bepaalde moleculaire componenten die de golflengtes van invallend licht absorberen in alle kleuren behalve rood. Dat is dan de kleur die we zien.
Alleen bevatten sommige van de chemicaliën die voorkomen in traditionele kleurstoffen materialen die gelinkt worden aan kanker en andere schadelijke effecten. Vele landen hebben die chemicaliën dan ook verboden.
Gestructureerde vleugels
Bij structurele kleur is dat niet het geval. Hier heb je te maken met microscopische structuren waarvan de verschillende vormen het licht ook op verschillende manieren reflecteren of breken. De uiterst kleine schubben op de vleugels van een morphovlinder, bijvoorbeeld, zijn bedekt met minuscule, kruisende ribbels. Die structuur breekt specifieke golflengtes van het licht en produceert zo een helderblauwe kleur. Andere structuren creëren vergelijkbare effecten. Cellulosemicrovezels die spiraalvormig geordend zijn, zorgen ervoor dat marmerbessen (pollia condensata) een glimmende, metaalachtige blauwe kleur krijgen.
De precieze details over structurele kleur en hoe het voorkomt in de natuur houdt wetenschappers nog steeds bezig. Ze weten alvast wel dat het materiaal zelf en de groottes en volumes van de kenmerken in een structuur hoofdzakelijk bepalen hoe het licht van die structuur kaatst en welke kleur we zien.
Cypris Materials maakt kleurstoffen gebaseerd op structuur en gebruikt daarvoor zelfassemblerende blokcopolymeren. Dat zijn lange ketens van moleculen die, in dit geval, twee soorten veelgebruikte plastics verbinden zoals polyacrylaat en polyester. Wanneer je ze in verf- of inktvorm op een oppervlak aanbrengt, schikken de copolymeren zichzelf in georganiseerde gelaagde structuren die het licht breken.
Om te illustreren hoe het proces werkt, roepen we het beeld van een zak gummibeertjes op. Stel je voor dat de gummibeertjes half geel en half groen zijn en dat elke kleur een andere soort plastic voorstelt. Schik de gummibeertjes nu zo dat de gele en groene kleuren enkel de zijde van de beertjes in de overeenkomstige kleur zouden aanraken. In dat geval vormen ze een meerlagige structuur.
Dat proces voeren de copolymeren van Cypris Materials vanzelf uit, zodra je ze in een oplossing legt. De lengte van de polymeerketen bepaalt dan de golflengte van het licht die wordt weerkaatst. Kortere copolymeerketens breken kortere golflengtes van licht zoals ultraviolet, blauwe en groene kleuren. Langere ketens breken langere golflengtes in de oranje, rode en nabij-infrarooddelen van het spectrum.
Hoewel zelfassemblerende copolymeren geen nieuwe uitvinding zijn, zegt het bedrijf dat ze belangrijke vooruitgang hebben geboekt. Ten eerste doen de materialen aan zelfassemblage bij dagelijkse omstandigheden, zoals wanneer verf wordt aangebracht. Ten tweede kunnen de materialen langere ketens maken die de lange golflengtes van het licht breken.
‘Niemand is er eerder in geslaagd de rode kleuren te creëren met structurele kleur’, zegt Robert Grubbs, Nobelprijswinnaar, chemieprofessor aan het California Institute of Technology en medeoprichter van het bedrijf dat een adviserende rol speelt voor Cypris. ‘Ze hebben meer verwezenlijkt dan ik voor mogelijk had gehouden.’
Veiligere verf
De nieuwe kleurstoffen bestaan in poedervorm en Cypris Materials zegt dat ze verwerkt kunnen worden in productieprocessen. Zo kunnen de poeders toegevoegd worden aan verf voor autosprays of gemengd worden in nagellak. De kleurstoffen werken ook als bindmiddel, chemicaliën die worden toegevoegd om pigmenten en verfstoffen op zijn plaats te houden terwijl de verf droogt op het oppervlak.
‘We vereenvoudigen verf,’ zegt medeoprichter van het bedrijf en waarnemend CEO Ryan Pearson. ‘Tot nu moet je pigment toevoegen aan je verf, samen met additieven om die te stabiliseren. Wij zorgen ervoor dat pigmenten en verfstoffen niet langer nodig zijn. Ook de stabilisatiestoffen worden overbodig.’
Andere chemicaliën die regelmatig worden toegevoegd aan verf om het pigment te stabiliseren zijn surfactanten (een soort detergent dat de oppervlaktespanning van vloeistoffen verlaagt). ‘We moeten nog bekijken of de nieuwe kleurstoffen deze chemicaliën overbodig maken. Als de kleurstoffen surfactanten kunnen vervangen of geformuleerd kunnen worden zonder alkylfenol (chemicaliën in verf om te zorgen dat het product niet gaat scheiden), zou dat zeker een positieve ontwikkeling zijn volgens ons’, zegt Teresa McGrath. McGrath is onderzoeksdirecteur bij het Healthy Building Network, een non-profitorganisatie die het gebruik van duurzame en minder schadelijke materialen promoot en niet gelinkt is aan Cypris Materials.
De nieuwe methode staat in contrast met andere toepassingen van structurele kleur – denk aan isolerende en energiebesparende folies die je aanbrengt op ramen. Bij deze techniek worden verschillende folielagen gecreëerd en gecombineerd om een structuur te bekomen die infraroodlicht reflecteert. De folies kunnen enkel aangebracht worden op bepaalde oppervlakken wat de nieuwe technologie van structurele kleur technologie veelzijdig maakt.
De kleurstoffen van de start-up moeten nog obstakels overwinnen en mogelijke beperkingen aanpakken. Zo kunnen ze misschien niet concurreren met sommige pigmenten zoals titaandioxide aangezien deze goedkoper zijn. Het bedrijf moet ook nog steeds een volledige analyse maken van de copolymeren en productieprocessen om te bevestigen dat hun kleurstoffen wel degelijk veiliger en milieuvriendelijker zijn dan traditionele verfstoffen en pigmenten. ‘Het zal niet perfect zijn,’ zegt Warner. Maar ‘de vijand van het uitmuntende is het perfecte. Dit soort belangrijke stappen dragen bij aan de werking van de wetenschap.’
