Van vogelveren tot fruitschillen, de natuurlijke wereld kent twee belangrijke manieren om kleur weer te geven: door pigmentstoffen die zorgen voor selectieve kleurabsorptie, of door structurele kleur – het gebruik van microscopische structuren om de lichtreflectie te controleren.
Nu hebben wetenschappers een computermodel bedacht dat verklaart waarom de helderste matte structurele kleuren in de natuur bijna altijd blauw en groen zijn: omdat dat de grenzen zijn van structurele kleur binnen het zichtbare spectrum van licht.
Naast een beter begrip van hoe de helderste blauwe en groene kleuren in de natuur ontstaan, kan het onderzoek ook van belang zijn voor de ontwikkeling van levendige, milieuvriendelijke verven en coatings die na verloop van tijd niet verbleken en geen giftige chemicaliën afgeven.
“Naast hun intensiteit en weerstand tegen vervagen, zou een matte verf die gebruik maakt van structurele kleur ook veel milieuvriendelijker zijn, omdat giftige kleurstoffen en pigmenten niet nodig zouden zijn,” zegt natuurkundige Gianni Jacucci van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk.
“We moeten echter eerst begrijpen wat de beperkingen zijn voor het nabootsen van dit soort kleuren voordat commerciële toepassingen mogelijk zijn.”
Bij structurele kleuren is het de nanoschaal op het oppervlak die de eigenlijke kleur dicteert.
Soms – zoals bijvoorbeeld bij pauwenveren – kan die kleur iriserend zijn, en onder verschillende hoeken en bij verschillend licht van kleurschakering veranderen. Deze worden geproduceerd door geordende kristallijne structuren.
Met andere structuren krijg je een matte kleur die niet verandert als gevolg van ongeordende structuren; in de natuur is dit alleen waargenomen bij het produceren van blauwe en groene tinten. Het doel van de nieuwe studie was te zien of dit een inherente beperking was van genoemde structuren.
Het nieuwe computermodel, gebaseerd op kunstmatige materialen die fotonische glazen worden genoemd, toont aan dat rood inderdaad buiten het bereik valt van de verstrooiingstechnieken achter matte structurele kleuren: het lange-golflengtegebied van het zichtbare spectrum kan niet gemakkelijk worden gereflecteerd met de technieken van deze microscopische oppervlaktestructuren.
“Door het complexe samenspel tussen enkelvoudige verstrooiing en meervoudige verstrooiing, en bijdragen van gecorreleerde verstrooiing, vonden we dat naast rood ook geel en oranje nauwelijks te bereiken zijn,” zegt chemicus Silvia Vignolini, van de universiteit van Cambridge.
Dit moet de reden zijn waarom heldere matte roodtinten in de natuur worden geproduceerd met pigmenten, in plaats van met structurele kleur. Het team denkt dat de evolutie in de natuur heeft geleid tot verschillende manieren om rode kleuren te produceren, vanwege de beperkingen van de onderliggende structuren.
Weten hoe deze matte structurele kleuren tot stand komen, brengt ons dichter bij de productie van verven zonder pigmenten en kleurstoffen – een belangrijke stap voorwaarts in duurzame, milieuvriendelijke materialen voor vele toepassingen.
Dat is echter nog ver weg, en het ziet ernaar uit dat voor rood en oranje een andere aanpak nodig zal zijn – andere soorten nanostructuren zouden het misschien kunnen doen, nadat er meer gedetailleerd onderzoek naar is gedaan, maar vooralsnog kampen materiaalwetenschappers met dezelfde problemen als de natuurlijke wereld.
“Wanneer we hebben geprobeerd om kunstmatig matte structurele kleuren voor rood of oranje na te maken, eindigen we met een resultaat van slechte kwaliteit, zowel in termen van verzadiging als van kleurzuiverheid,” zegt chemicus Lukas Schertel, van de Universiteit van Cambridge.
Het onderzoek is gepubliceerd in PNAS.