Från fågelfjädrar till fruktskal har naturen två huvudsakliga sätt att visa färg: genom pigment som ger selektiv färgabsorption eller genom strukturell färg – användningen av mikroskopiska strukturer för att kontrollera ljusets reflektion.
Nu har forskare utarbetat en datormodell som förklarar varför de ljusaste matta strukturella färgerna i naturen nästan alltid är blå och gröna: eftersom det är gränserna för strukturell färg inom det synliga ljusspektrumet.
Förutom att ge oss en bättre förståelse för hur de ljusaste blå och gröna färgerna skapas i naturen kan forskningen också vara viktig för att utveckla livfulla, miljövänliga färger och beläggningar som inte bleknar med tiden eller släpper ut giftiga kemikalier.
”Förutom deras intensitet och motståndskraft mot blekning skulle en matt färg som använder strukturell färg också vara mycket mer miljövänlig, eftersom giftiga färgämnen och pigment inte skulle behövas”, säger fysiker Gianni Jacucci från University of Cambridge i Storbritannien.
”Vi måste dock först förstå vilka begränsningar det finns för att återskapa den här typen av färger innan kommersiella tillämpningar är möjliga.”
Med strukturell färg är det nanoskaliga ramverket på ytan som dikterar själva färgen.
I vissa fall – som till exempel på påfågelfjädrar – kan färgen vara iriserande och skifta mellan olika färgnyanser i olika vinklar och under olika ljus. Dessa framställs av ordnade kristallina strukturer.
Med andra strukturer får man en matt färg som inte förändras och som uppstår av oordnade strukturer; i naturen har detta bara observerats när man producerar blå och gröna nyanser. Den nya studien syftade till att se om detta var en inneboende begränsning för dessa strukturer.
Den nya datormodellen, som bygger på konstgjorda material som kallas fotoniska glas, visar att rött verkligen ligger utanför räckvidden för de spridningstekniker som ligger bakom de matta strukturella färgerna: det synliga spektrumets långa våglängdsområde kan inte lätt reflekteras med hjälp av tekniken för dessa mikroskopiska ytstrukturer.
”På grund av det komplexa samspelet mellan enkelspridning och multipelspridning, och bidrag från korrelerad spridning, fann vi att förutom rött kan även gult och orange knappast nås”, säger kemisten Silvia Vignolini från University of Cambridge.
Detta måste vara anledningen till att ljusa, matta röda färger framställs med hjälp av pigment i naturen, snarare än med strukturell färg. Teamet tror att evolutionen i naturen ledde till olika sätt att producera röda färger på grund av begränsningarna i de underliggande strukturerna.
Vid mer kunskap om hur dessa matta strukturella färger skapas kommer vi närmare att kunna producera färger som är fria från pigment och färgämnen – ett viktigt steg framåt för långvariga, miljövänliga material för många tillämpningar.
Det är dock fortfarande en bit kvar, och det ser ut som om det kommer att krävas ett annat tillvägagångssätt för röda och orangefärgade färger – andra typer av nanostrukturer kan kanske göra jobbet, efter att man har forskat mer i detalj om dem, men för tillfället har materialforskarna samma problem som naturen.
”När vi har försökt att på konstgjord väg återskapa en matt strukturell färg för röda eller orangefärger får vi ett resultat av dålig kvalitet, både när det gäller mättnad och färgens renhet”, säger kemisten Lukas Schertel från University of Cambridge.
Forskningen har publicerats i PNAS.