Lintujen höyhenistä hedelmien kuoriin, luonnossa on kaksi pääasiallista tapaa esittää värejä: valikoivaa värinabsorptiota aikaansaavien pigmenttiyhdisteiden avulla tai rakenteellisen värin avulla – mikroskooppisten rakenteiden avulla, joilla hallitaan valon heijastumista.
Nyt tutkijat ovat keksineet tietokonemallin, joka selittää, miksi kirkkaimmat mattapintaiset rakennevärit luonnossa ovat lähes aina sinisiä ja vihreitä: koska ne ovat rakennevärin rajat näkyvän valon spektrin sisällä.
Sen lisäksi, että saamme paremman käsityksen siitä, miten kirkkaimmat siniset ja vihreät syntyvät luonnossa, tutkimus voi olla tärkeä myös kehitettäessä elinvoimaisia, ympäristöystävällisiä maaleja ja pinnoitteita, jotka eivät haalistu ajan myötä tai joista ei vapaudu myrkyllisiä kemikaaleja.
”Voimakkuutensa ja haalistumisen kestävyytensä lisäksi rakenteellisia värejä käyttävä mattamaali olisi myös paljon ympäristöystävällisempi, koska myrkyllisiä väriaineita ja pigmenttejä ei tarvitsisi”, sanoo fyysikko Gianni Jacucci Cambridgen yliopistosta Isosta-Britanniasta.
”Meidän on kuitenkin ensin ymmärrettävä, mitkä ovat rajoitukset tämäntyyppisten värien uudelleentuottamisessa, ennen kuin kaupalliset sovellukset ovat mahdollisia”.”
Rakenteellisissa väreissä pinnan nanokokoluokan kehys määrää itse värin.
Joskus – kuten esimerkiksi riikinkukon höyhenissä – tämä väri voi olla irisoiva ja siirtyä värisävyjen välillä eri kulmissa ja eri valoissa. Nämä syntyvät järjestäytyneistä kiderakenteista.
Muilla rakenteilla saadaan järjestäytymättömistä rakenteista syntyvää mattapintaista väriä, joka ei muutu; luonnossa tämä on havaittu vain sinisen ja vihreän sävyjen tuottamisessa. Uuden tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, onko tämä mainittujen rakenteiden luontainen rajoitus.
Uusi tietokonemalli, joka perustuu fotonilaseiksi kutsuttuihin keinotekoisiin materiaaleihin, osoittaa, että punainen väri on todellakin mattapintaisten rakennevärien taustalla olevien sirontatekniikoiden ulottumattomissa: näkyvän spektrin pitkän aallonpituuden aluetta ei voida helposti heijastaa näiden mikroskooppisten pintarakenteiden tekniikoilla.
”Yksittäisen sironnan ja moninkertaisen sironnan monimutkaisen vuorovaikutuksen sekä korreloidun sironnan osuuksien vuoksi havaitsimme, että punaisen lisäksi myös keltaista ja oranssia ei juuri tavoiteta”, kertoo kemisti Silvia Vignolini Cambridgen yliopistosta.”
Se on varmaan syynä siihen, että kirkkaita mattapunaisia värisävyjä tuotetaan luonnossa pikemminkin pigmenttien kuin rakennevärien avulla. Ryhmä arvelee, että evoluutio luonnossa johti erilaisiin tapoihin tuottaa punaisia värejä taustalla olevien rakenteiden rajallisuuden vuoksi.
Kun tiedämme enemmän siitä, miten nämä mattapintaiset rakennevärit syntyvät, pääsemme lähemmäs sellaisten maalien tuottamista, joissa ei käytetä pigmenttejä ja väriaineita – tämä on merkittävä edistysaskel moniin sovelluksiin tarkoitettujen, pitkäkestoisten ja ympäristöystävällisten materiaalien osalta.
Siihen on kuitenkin vielä matkaa, ja näyttää siltä, että punaisiin ja oransseihin tarvitaan erilaista lähestymistapaa – muunlaiset nanorakenteet voivat ehkä hoitaa homman, kunhan niitä on tutkittu tarkemmin, mutta toistaiseksi materiaalitutkijat kärsivät samoista ongelmista kuin luonto.
”Kun olemme yrittäneet keinotekoisesti luoda mattapintaisia rakenteellisia värejä punaisille tai oransseille, olemme päätyneet huonolaatuiseen lopputulokseen sekä värikylläisyyden että värin puhtauden suhteen”, sanoo kemisti Lukas Schertel Cambridgen yliopistosta.
Tutkimus on julkaistu PNAS-lehdessä.