A hagyományos módon előállított, oldószeres festékek egészségre veszélyes kőolaj-származékok, amelyek felvitele csak átmeneti felületvédelmet nyújt, hiszen időről-időre ismételni, pótolni kell a festékréteget. UV-sugárzás hatására a pigmentszemcsék elöregedhetnek, ami a korábban ragyogó árnyalatú festék fakulásához vezet.
Ráadásul a befestett tárgy színét csak újabb festéssel változtathatjuk meg.
Mi lenne, ha a fenti problémákra a természetben keresnénk megoldást, méghozzá az állatvilág talán legszínpompásabb képviselői, a madarak körében?
A természet leleményes vívmánya ugyanis az a szerkezeti felépítés, amelynek köszönhetően színesnek látjuk a madarak tollazatát. Minden toll ágacskákból áll, amelyeket három szaruréteg fed: a felső, átlátszó fedőréteg alatt szabálytalan alakú, levegővel teli, 30-300 mikron méretű üreges cellák sorakoznak a veszélyes UV-sugarakat elnyelő alsó, sötét melaninrétegen.
A cellák szórják a beeső fénysugarakat. A tollat attól függően látjuk eltérő színűnek, amilyen a cellák eloszlása, mérete, illetve alakja, vagyis a fényszórás mikéntje, továbbá a melaninrétegben esetleg megtalálható pigmentszemcsék is befolyásolják az árnyalatot.
A Kalifornia és a szintén amerikai Akron Egyetem biokémikusai épp a fenti fényszórási jelenséget próbálták meg utánozni. Az általuk kifejlesztett, nanoméretű részecskékből álló filmrétegek színe a vöröstől a zöldig változik, ám ezeket az árnyalatokat nem festékszemcsék, hanem a rétegek szerkezete határozza meg.
E strukturális színek a beeső fénysugarak és a különféle mintázatokba tömörült, mikroszkopikus méretű részecskék kölcsönhatásából születnek, aminek révén a felület bizonyos hullámhosszú fénynyalábokat fölerősítve visszatükröz, míg másokat kiolt, elnyel.
"Az általunk előállított nanorészecskéket vékony filmmé tömörítettük, hogy így utánozzuk a madártoll szerkezetét – nyilatkozta Nathan Gianneschi kutatásvezető, a Kalifornia Egyetem biokémia professzora. –
Az a célunk, hogy a természetes folyamatot átlátva olyan alkalmazási lehetőségeket fejlesszünk ki, amelyek túlmutatnak a jelenlegi hasznosításon."
A kutatócsoport a melaninhoz hasonló dopaminmolekulákat kémiai úton hálós szerkezetbe rendezte. Az összekapcsolt, azaz polidopaminok közel azonos méretű, gömb alakú részecskékké szerveződtek. A kutatók eltérő koncentrációjú részecskehálókat alakítottak ki, majd ezek kiszárításával különböző polidopamin-számú, vékony filmrétegeket nyertek.
"Ilyen módon az optikai rácshoz hasonló szerkezet jön létre, amely interferencia jelenség útján hozza létre a tiszta, ragyogó monokromatikus színeket", magyarázza az amerikai kutatók munkáját Wenzel Klára, a Műegyetem Mechatronikai, Optikai és Gépészeti Informatika tanszékének színlátással foglalkozó professzora.
A filmek visszaverik a tiszta színeket: a vöröset, a narancsot, a sárgát és a zöldet – az árnyalatot a polidopamin-réteg vastagsága, illetve a részecskék sűrűsége és mérete határozza meg. A színárnyalat és erősség kivételesen egyenletes a film minden négyzetmilliméterén.
A kutatócsoport távlati terve, hogy a teljes színpalettát létrehozza strukturális módon.
Gianneschi másfél évtizede folytatott kutatásának eredendő célja a környezetüket érzékelő és arra reagáló nanorészecskék, illetve felületek kifejlesztése volt. De a megbízható, mindig ugyanolyan árnyalatoknak a színösszehasonlításon alapuló kolorimetrikus érzékelők gyártásában is óriási szerepe lehet, ilyen például egy olyan fotoszenzor készülék, amely mondjuk a veszélyes gázok jelenlétét színváltozással jelzi.
A pigment alapú festékekkel ellentétben a strukturális színek nem halványulnak el
, tehát az adott felület legfeljebb korrózióvédelmet igényel. Akárcsak a természetes melanin, a polidopamin is elnyeli az UV-sugarakat, tehát megvédi a felületkezelt anyagot.
A dopamin egyébként az agyi idegsejtek közötti információtovábbításért felelős természetes vegyület,
ennélfogva biológiai úton lebomlik
, szemben a kőolajalapú, hagyományos festékekkel és oldószereikkel, amelyek rendkívül veszélyesek az egészségünkre és a környezetre.
Ami a színmódosítást illeti, ahhoz át kell szervezni a polidopamin részecskéket más mintázatba – ez egyszer remélhetőleg külső (például elektromos) impulzus hatására, a részecskék önszerveződő módján is működhet.
A struktúra megváltoztatásával végbemenő, fizikai átszínezési mechanizmusnak egész sor területen hasznát vennénk,
például kedvünk szerint cserélgethetnénk az autónk vagy a mobiltelefonunk színét, vagy hőelnyelővé, illetve -visszaverővé kapcsolgathatnánk bizonyos felületeket.
"Az optikai rácsok színei irizálóak – mondja Wenzel Klára. – Az alkalmazásnak korlátokat szabhat, hogy a finom, nanométeres felületi struktúrák az időjárás viszontagságai, por és eső miatt feltehetőleg hamar eltömődnek."