Principio de producción de colores estructurales a partir de dobles capas de arcilla nemática (DBL). (A) Esquema de la estructura lamelar 2D de Na-fluorohectorita sintética (Na-FHt). Na-FHt forma espontáneamente fases nemáticas de nanoláminas individuales de 1 nm de espesor [capas únicas (SGL)] cuando se sumerge en agua. (B) Esquemas del protocolo para la producción de fases nemáticas de capas dobles de 2 nm de espesor (DBL). (C) Colores estructurales obtenidos a partir de suspensiones acuosas de SGL con fuerza iónica cero. (D) Colores estructurales de suspensiones acuosas de DBL con fuerza iónica cero. Las concentraciones de arcilla se dan en % en volumen. (E) Principio de la coloración estructural reflectante obtenida a partir de una suspensión de pila de Bragg lamelar. Cada laminilla es semitransparente y refleja parte de la luz blanca entrante que luego interfiere constructivamente de acuerdo con la ley de Bragg-Snell, resaltando así un solo color que depende tanto de la distancia de la capa como del ángulo de observación (iridiscencia). Un fondo oscuro absorbe la luz blanca que se transmite por toda la pila. Solo se muestra el caso DBL en el boceto. Crédito:Avances científicos .
En un nuevo informe publicado ahora sobre Science Advances , Paulo H. Michels-Brito, y un equipo de investigadores en física, química inorgánica y química física en Alemania y Noruega, mostraron cómo la coloración estructural brillante sin iridiscencia se puede lograr fácil y rápidamente a partir de nanoláminas bidimensionales de mineral arcilloso.
Los colores estructurales pueden originarse a partir de soluciones de nanoláminas de minerales arcillosos a través de la interferencia constructiva de la luz después de la reflexión y la dispersión de las nanoestructuras con una periodicidad comparable a las longitudes de onda de la luz visible. Los científicos mejoraron enormemente el brillo mediante el uso de nanoláminas de arcilla dobles para optimizar el índice de refracción de la arcilla que, de otro modo, podría dificultar la coloración estructural de tales sistemas.
Al variar la concentración de arcilla y la fuerza iónica, los colores estructurales podrían regularse de manera precisa y reproducible para obtener fácilmente la no iridiscencia. Tales nanoláminas con diseño de arcilla se pueden incrustar en matrices sólidas reciclables para proporcionar simultáneamente colores vívidos y sintonizables, resistencia mecánica y estabilidad para abrir una región previamente desconocida para colores sostenibles.
Coloración estructural en la naturaleza y en el laboratorio
Los colores estructurales son el resultado de ondas fotónicas que interfieren constructivamente después de la reflexión y la dispersión de las nanoestructuras con distancias comparables a las longitudes de onda de la luz visible. El mecanismo de la coloración estructural es fundamentalmente diferente de la absorbancia de los tintes o pigmentos. Por ejemplo, con colores estructurales, el material podría ser semitransparente, donde el espectro de color se puede ajustar ajustando las nanoestructuras.
Este mecanismo se puede combinar con pigmentos oscuros que absorben la luz, como se observa en los principales mecanismos biológicos de coloración que se observan en la naturaleza; presentes en aves, animales marinos, algunos mamíferos, insectos y ciertas plantas. El concepto de coloración estructural también ha despertado un enorme interés en los sectores industriales, incluidos los cosméticos fotónicos de L'Oréal y Morphotex para representar diseños bioinspirados.
Sin embargo, la abundancia y el tiempo que lleva fabricar el concepto son limitaciones importantes para las aplicaciones industriales de alto nivel. La coloración estructural se basa en la iridiscencia, por ejemplo, las plumas de los pájaros azules y las mariposas se pueden imitar utilizando partículas coloidales. En este trabajo, Michels-Brito et al. ideó un método para producir colores estructurales a partir de capas dobles de arcilla nemática (DBL). El equipo eligió la fluorohectorita de sodio sintética (Na-FHt), un mineral arcilloso sintético de calidad superior en relación con la homogeneidad estructural, la distribución estrecha de la carga y una gran relación de aspecto, que el equipo caracterizó como propiedades de los materiales.
Los investigadores ajustaron la proporción de Na-FHt a agua y las separaciones de nanoláminas en función del rango de longitud de onda de la luz visible, donde las pilas fotónicas de Bragg que cubren todo el espectro de colores podrían producirse rápida y fácilmente. Las capas individuales suspendidas dieron lugar a colores suaves y brillantes. Sin embargo, el equipo pudo mejorar el brillo y la no iridiscencia de los colores estructurales mediante la aplicación de capas dobles (DBL) de dos capas individuales suspendidas unidas con alfileres.
Como un análogo biomimético directo de este mecanismo, Michels-Brito et al. compararon los calamares Loliginid, debido a su capacidad para ajustar sus colores estructurales a través de cambios osmóticos. La coloración estructural de los DBL (capas dobles) se basó en una fuerte repulsión electrostática entre nanoláminas de arcilla cofaciales (similares a lego) para separarlas a varias distancias simplemente agregando la cantidad correcta de agua y eligiendo la longitud de onda que interfiere constructivamente.
Los científicos describieron la interferencia constructiva de la luz blanca de nanoláminas individuales utilizando la Ley de Bragg-Snell. En consecuencia, el color observado dependía de la distancia entre capas y del ángulo de observación (iridiscencia). El equipo reguló la separación de nanoláminas ajustando la concentración de arcilla en suspensiones en cubetas planas de cuarzo con un paso óptico de 1 mm para mostrar la posibilidad de ajustar rápidamente los colores estructurales añadiendo agua a la solución.
Caracterización y control de colores estructurales a partir de DBL de arcilla nemática. (A) Colores estructurales de los rangos R1 y R2 (la fig. S6 muestra la birrefringencia). (B) RSP para rango R1. (C) RSP para la gama R2. (D) Máximo de RSP (con barras de error) frente al % de volumen y el ajuste lineal. (E) Máximo de RSP (con barras de error) frente al % de volumen y el ajuste lineal. Los detalles de cómo se determinaron los máximos de RSP y cómo se estimaron los errores a partir de estos ajustes se explican en la fig. S7. (F) Espaciado d (con barras de error) versus % de volumen obtenido de los rangos R1 y R2 y ajuste lineal. (G) Máximo de RSP frente a fuerza iónica y colores estructurales observados correspondientes. (H) Diagrama CIE (Commission Internationale de l'Elcairage) de los colores de primer orden. (I) Efecto de fondos oscuros y blancos, respectivamente. Crédito:Avances científicos .
Colores estructurales no iridiscentes de DBL de arcilla nemática. (A) Colores estructurales en diferentes ángulos (5° y 30°). (B) Bosquejo del orden estructural que daría colores iridiscentes y bosquejo de los posibles factores de desorden que, en combinación, pueden explicar el color no iridiscente observado. Crédito:Avances científicos .
Optimización de la técnica para aplicaciones industriales
La doble capa presentaba dos cambios de color estructural diferentes, en los que el índice de refracción efectivo podía determinarse mediante la dispersión de rayos X de ángulo pequeño y los datos del espectrofotómetro de reflexión. Dado que las interacciones electrostáticas gobernaban la separación de las nanoláminas, los colores podían ajustarse variando la fuerza iónica.
Por ejemplo, al aumentar la fuerza iónica de una solución de doble capa roja, el equipo pudo cambiar el color estructural al azul debido a la disminución de la separación de las nanoláminas, debido al aumento de la detección electrostática. Durante el estudio, todas las muestras aparecieron inesperadamente no iridiscentes a la vista. Después de una inspección minuciosa, notaron ligeras diferencias en el brillo de los colores según el ángulo de visión. La no iridiscencia de las soluciones de arcilla nemática resultó de una combinación de trastornos locales relacionados con la flexión y el arrugamiento de las nanoláminas y la organización turboestrática en el plano de las nanoláminas.
Michels-Brito et al. estudió las muestras en cubetas de cuarzo de espacio fijo donde las muestras selladas que permanecieron "sobre el escritorio" durante más de cuatro o cinco días mostraron cierta iridiscencia. Para las muestras preparadas en solución salina, tales tiempos de degradación fueron menores del orden de dos días debido a la sedimentación de las soluciones, que modificó los colores. El equipo recuperó rápidamente los colores agitando suavemente las cubetas. Estos plazos de dos a cinco días proporcionaron espacios suficientes para fijar la naturaleza no iridiscente de los colores estructurales en una matriz transparente para el procesamiento industrial posterior de rollo a rollo para la fabricación de pigmentos. Las películas se pueden reducir en espesor por debajo de 1 mm para formar colores en soluciones de 200 µm de espesor.
Estructura Na-Fluorohectorita. Los sitios octaédricos naranjas (esfera rosa) contienen magnesio parcialmente sustituido por litio. La hoja octaédrica está intercalada entre las hojas tetraédricas azules. Los sitios tetraédricos (esferas azul oscuro) contienen silicio. Las esferas de color azul claro son flúor y las esferas rojas son de oxígeno. Las esferas verdes son los cationes de la capa intermedia, típicamente Na+ de la síntesis. Crédito:Avances científicos .
Perspectiva
De esta manera Paulo H. Michels-Brito et al. presentó un sistema que tenía en cuenta la sostenibilidad y la abundancia de minerales de arcilla para aplicaciones mejoradas en diversas áreas, desde pigmentos en cosméticos hasta atención médica, así como ventanas y azulejos. Los resultados de este estudio sobre arcillas sintéticas pueden trasladarse a arcillas naturales, donde la vermiculita se presenta como la candidata más adecuada para ampliar el concepto.
El equipo prevé incluir nanoláminas de arcilla exfoliada en pequeñas cantidades en matrices de polímeros, incluidos biopolímeros biodegradables y matrices de hidrogel para mejorar la estructura y ajustar la resistencia mecánica y la estabilidad de los compuestos resultantes. Los resultados tienen un alto impacto en aplicaciones cosméticas y de cuidado personal para formar fórmulas más sostenibles y reciclables, para lograr también los objetivos de una economía circular.
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