Το χιόνι, τα σύννεφα και ο αφρός της θάλασσας είναι λευκά χωρίς να περιέχουν λευκή βαφή. Η εμφάνισή τους προκύπτει επειδή αμέτρητες μικρές επιφάνειες και θύλακες αέρα σκορπίζουν σχεδόν ολόκληρο το ορατό φως. Ερευνητές του Kyoto University και συνεργαζόμενων ιδρυμάτων μιμήθηκαν αυτή την αρχή για να δημιουργήσουν ένα εκτυπώσιμο πολυμερές που γίνεται έντονα λευκό και ταυτόχρονα απωθεί το νερό, χωρίς διοξείδιο του τιτανίου και χωρίς επίστρωση PFAS.
Η τεχνολογία ονομάζεται Deep Foam Photolithography, ή DFP, και παρουσιάστηκε στο Nature. Αντί να προσθέτει χρωστική, μεταμορφώνει την εσωτερική αρχιτεκτονική ενός ήδη διαθέσιμου πολυμερούς. Το φως σπάει επιλεγμένα τμήματα των μοριακών αλυσίδων και ένας ήπιος διαλύτης κάνει το υλικό να διογκωθεί. Στη θέση της συμπαγούς μάζας σχηματίζεται ένα δίκτυο μικροσκοπικών πόρων.
Η λευκότητα ως κατασκευή, όχι ως χρώμα
Ένα αντικείμενο φαίνεται λευκό όταν επιστρέφει προς τα μάτια μας ένα ευρύ φάσμα του ορατού φωτός. Οι κλασικές βαφές το πετυχαίνουν με σωματίδια χρωστικής. Η «δομική λευκότητα» χρησιμοποιεί γεωμετρία: όταν οι ανομοιογένειες μέσα σε ένα υλικό έχουν τα κατάλληλα μεγέθη, το φως αλλάζει πολλές φορές κατεύθυνση και διαχέεται αποτελεσματικά.
Αυτό ακριβώς συμβαίνει στο χιόνι, παρότι ο καθαρός πάγος είναι διαφανής. Οι αμέτρητες διεπιφάνειες ανάμεσα στον πάγο και στον αέρα κάνουν τη μάζα να φαίνεται κατάλευκη. Στο νέο υλικό, τον ίδιο ρόλο αναλαμβάνουν οι πόροι του αφρού. Παράλληλα, η πολύ τραχιά μικροσκοπική επιφάνεια δυσκολεύει το νερό να απλωθεί, με αποτέλεσμα οι σταγόνες να κυλούν αντί να απορροφώνται.
Γιατί οι ερευνητές θέλουν εναλλακτικές
Το διοξείδιο του τιτανίου χρησιμοποιείται ευρέως για λευκότητα και αδιαφάνεια σε προϊόντα όπως συσκευασίες, βαφές και επιστρώσεις. Τα PFAS, μια μεγάλη οικογένεια φθοριωμένων ενώσεων, χρησιμοποιούνται για αντοχή στο νερό και στο λάδι, αλλά ορισμένα μέλη της ομάδας παραμένουν στο περιβάλλον για πολύ μεγάλο διάστημα. Η αναζήτηση εναλλακτικών δεν σημαίνει ότι κάθε εφαρμογή των υφιστάμενων υλικών είναι ίδια ή εξίσου επικίνδυνη· σημαίνει ότι η βιομηχανία χρειάζεται περισσότερους τρόπους να πετυχαίνει τις ίδιες λειτουργίες.
Η DFP επιχειρεί να μεταφέρει αυτές τις λειτουργίες από τη χημική σύνθεση στη φυσική δομή. Η ομάδα έδειξε ότι η μέθοδος λειτουργεί με διαφορετικά εμπορικά πολυμερή, όχι μόνο με ένα ειδικά παρασκευασμένο εργαστηριακό υλικό. Σε συνεργασία με ερευνητές υφασμάτων του Donghua University, την εφάρμοσε επίσης σε ύφασμα.
Εκτύπωση 20.000 dpi και οι ερωτήσεις της κλίμακας
Η διαδικασία μπορεί να δημιουργήσει σχέδια εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης, έως 20.000 κουκκίδες ανά ίντσα. Αυτό ανοίγει δυνατότητες για λεπτομερείς εκτυπώσεις, επιφάνειες ασφαλείας, συσκευασίες και υφάσματα όπου η λευκότητα και η διαχείριση του νερού χρειάζονται ταυτόχρονα. Επειδή ένα αφρώδες υλικό αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από αέρα, υπάρχει επίσης η πιθανότητα για ελαφρύτερα προϊόντα.
Ωστόσο, η δημοσίευση περιγράφει μια πλατφόρμα υλικών και όχι ένα έτοιμο προϊόν για μαζική αγορά. Χρειάζεται να αξιολογηθούν η αντοχή στη φθορά, η συμπεριφορά μετά από επαναλαμβανόμενο πλύσιμο, το κόστος μεγάλης κλίμακας και ολόκληρος ο κύκλος ζωής. Η απουσία δύο κατηγοριών πρόσθετων δεν κάνει αυτομάτως ένα πολυμερές βιώσιμο· το πραγματικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα εξαρτάται από την πρώτη ύλη, την ενέργεια, τους διαλύτες και την ανακύκλωση.
Η κατεύθυνση, πάντως, είναι χαρακτηριστική της νέας μηχανικής: ιδιότητες που παλαιότερα προσθέτονταν ως επίστρωση μπορούν να ενσωματωθούν στη μορφή του ίδιου του υλικού. Αντίστοιχη σύγκλιση λειτουργιών είδαμε στο τσιπ που βλέπει, θυμάται και επεξεργάζεται στην ίδια συσκευή, ενώ μια πλατφόρμα τεχνητής νοημοσύνης επιχειρεί να αλλάξει τη σύνθεση νέων υλικών. Εδώ ο δάσκαλος δεν ήταν ένας αλγόριθμος, αλλά το χιόνι, τα σύννεφα και ο αφρός.
Πηγές
- Nature — Foaming photopolymers as a high-resolution biomimetic printing platform
- Kyoto University iCeMS — White Is More Than a Color
Φωτογραφία αρχείου: Anna / Pexels Πηγή εικόνας
