Аннотация:
Исследователи из Университета Кобе в Японии разработали новую технологию беспигментного покрытия, которая создает яркие цвета за счет особого взаимодействия между кремниевыми наночастицами и светом. С его помощью можно добиться эффекта блеска, близкого к оригинальной автомобильной краске, без использования традиционных красителей и пигментов. Эту технологию можно не только применять к поверхности сложных трехмерных объектов, но и сохранять первоначальный цвет после нанесения защитного покрытия. Ожидается, что появятся новые возможности для обработки поверхности автомобилей, самолетов и других крупных промышленных изделий.
Традиционные автомобильные краски обычно основаны на молекулах пигмента, которые поглощают свет определенных длин волн, а затем отражают свет других длин волн, создавая разные цвета. Эта технология сложилась достаточно зрело, но ей также присущи некоторые недостатки. Например, некоторые органические пигменты разрушаются после длительного воздействия ультрафиолетовых лучей солнца, вызывая выцветание автомобильной краски. Кроме того, традиционные краски часто требуют более толстого слоя для достижения адекватного покрытия и насыщенности цвета, что увеличивает вес автомобилей и других транспортных средств.
Команда под руководством Хироши Сугимото, исследователя в области материаловедения из Университета Кобе, выбрала другой технический путь: больше не полагаться на химические свойства самого пигмента, а управлять отражением и рассеянием света через наноразмерные структуры материала, позволяя изначально бесцветным материалам казаться ярко окрашенными.
Это явление называется структурным цветом и не является редкостью в природе. Яркие цвета перьев павлина, крыльев бабочек и панцирей некоторых жуков не полностью обусловлены пигментами в традиционном смысле этого слова, а возникают в результате взаимодействия микроструктуры и света. Настраивая эти микроструктуры, материал может избирательно отражать определенные длины волн света, что приводит к получению разных цветов.
Однако по-настоящему применить технологию структурного окрашивания к промышленным покрытиям непросто. Хотя прошлые исследования позволили создать ярко окрашенные структурные цветные материалы, часто существует значительная зависимость от угла, то есть цвет материала может меняться, когда наблюдатель смотрит с разных сторон. Кроме того, многие структурные цветные покрытия с трудом могут одновременно обеспечить высокий глянец, равномерное покрытие и долговечность, необходимые традиционным автомобильным краскам.
Команда Хироши Сугимото ранее продемонстрировала, что кремниевые наносферы могут создавать структурные цвета, которые нелегко изменить в зависимости от угла обзора, и разработала метод создания соответствующих покрытий с использованием технологии струйной печати. Однако с ранними планами была проблема: поверхность материала была склонна к чрезмерному диффузному отражению, а конечный эффект был относительно тусклым, без гладкой зеркальной текстуры, характерной для автомобильной краски.
Чтобы решить эту проблему, исследователи изменили конструкцию кремниевых наночастиц.
Новое решение окружает кремниевые наносферы тонкой кремниевой оболочкой. Эти оболочки не только защищают частицы внутри, но и точно контролируют расстояние между ними, что позволяет наночастицам формировать хорошо выровненные структуры.
Таким образом, исследователи уменьшили случайное рассеяние света внутри материала, сделав отраженный свет более концентрированным, что привело к получению более ярких и однородных цветов, а также позволило при необходимости регулировать глянцевитость поверхности.
Диаметр кремниевых наносфер, использованных в этом исследовании, составляет около четверти микрона, что эквивалентно примерно 250 нанометрам, что составляет лишь около одного процента диаметра человеческого волоса. Правильно расположив эти частицы, исследователи смогли добиться высокой непрозрачности и яркости цвета всего лишь с одним слоем наночастиц.
Одним из важнейших достижений данного исследования является успешное решение проблемы нанесения структурных цветных покрытий на сложные трехмерные поверхности.
Традиционные структурные цветные материалы часто требуют очень точных плоских микроструктур. При нанесении на изогнутые поверхности или сложные формы может возникнуть неравномерность цвета. Новая технология, продемонстрированная командой Университета Кобе, может быть применена к поверхности больших и сложных трехмерных объектов, что позволяет больше не ограничиваться плоскими образцами в лаборатории.
Еще одним важным достижением является совместимость защитных покрытий.
Автомобильная краска часто требует дополнительного прозрачного защитного слоя для защиты от царапин, химикатов, ультрафиолетовых лучей и ежедневного вредного воздействия окружающей среды. Однако для традиционных конструкционных цветных материалов дополнительный слой защитного материала может изменить их оптические свойства, что приведет к изменению цвета.
Исследователи обнаружили, что добавление защитного слоя к новому покрытию из кремниевых наночастиц существенно не изменило окончательный цвет. Это означает, что у компании есть возможность использовать многослойную структуру покрытия, подобную традиционной автомобильной краске, для удовлетворения требований к внешнему виду и защитным характеристикам реальной промышленной продукции.
Помимо внешнего вида, наиболее интересным потенциальным преимуществом этой технологии является вес.
Традиционная покраска самолетов требует большого количества краски, а вес покрытия широкофюзеляжного пассажирского самолета может достигать сотен килограммов. Для авиакомпаний вес самолета напрямую связан с расходом топлива и эксплуатационными расходами, поэтому любая технология, позволяющая снизить вес фюзеляжа, имеет реальную ценность.
По оценкам исследовательской группы, если использовать это структурное цветное покрытие из кремниевых наночастиц, вес покрытия той же площади теоретически может быть уменьшен примерно с 300 килограммов до примерно 300 граммов, то есть снижение почти на 99,9%.
Следует подчеркнуть, что это число представляет собой теоретическую оценку, сделанную исследователями на основе свойств материала, а не прикладное испытание, проведенное на реальном пассажирском самолете. Но это говорит красноречивее всяких слов о преимуществах веса, которые могут иметь ультратонкие структурные цветные покрытия в аэрокосмической отрасли.
С точки зрения защиты окружающей среды эта технология также имеет потенциальную ценность. Некоторые органические пигменты в традиционных красках создаются в результате сложных процессов химического синтеза и могут разлагаться при длительном воздействии света. Напротив, в новой технологии в качестве основных материалов в основном используются кремний и диоксид кремния.
Кремний — это материал, широко используемый в полупроводниковой промышленности, и его можно получить через развитые промышленные цепочки поставок; диоксид кремния – широко распространенное вещество в земной коре. Поскольку структурные цвета не основаны на традиционных органических пигментах, которые подвержены фотохимическому разложению, ожидается, что в будущем потребность в перекрашивании из-за выцветания снизится.
Однако исследователи также отметили, что полные экологические преимущества этого покрытия в крупномасштабном промышленном производстве пока не могут быть определены. Производство наночастиц, обработка покрытий и окончательная переработка все еще требуют дальнейшей оценки.
Для коммерциализации технологии Сугимото помогает создать стартап, который надеется превратить результаты лабораторных исследований в промышленные покрытия, которые можно будет производить массово.
Следует отметить, что этот материал не обязательно требует полного прекращения работы существующих линий покраски. Исследовательская группа заявила, что ее производственный процесс, как ожидается, будет совместим со зрелыми промышленными технологиями, такими как нанесение покрытия распылением, покрытие пазов и обработка рулонов. Это означает, что в будущем соответствующие методы нанесения покрытия можно будет выбирать в зависимости от формы и производственных потребностей различных изделий без необходимости создания совершенно другой производственной системы с нуля.
Долгосрочные цели исследователей не ограничиваются автомобильными и авиационными покрытиями. Они надеются, что, настроив оптические свойства наночастиц кремния, материал получит больше функций, таких как обнаружение изменений окружающей среды, содействие фотокаталитическим реакциям и участие в управлении энергией.
Это означает, что будущие покрытия смогут не только придавать продуктам красивый внешний вид, но также выполнять функции определения окружающей среды, использования световой энергии и другие функции.
Соответствующие результаты исследования были опубликованы в академическом журнале «Малые структуры» 3 сентября 2026 года. Статья называется «Использование одного слоя полностью диэлектрических наночастиц для получения высокоглянцевых, непереливающихся конформных структурных цветных покрытий для трехмерных объектов».
С точки зрения автомобильной промышленности наиболее примечательным аспектом этой технологии является то, что она пытается одновременно решить несколько давних проблем, с которыми сталкиваются конструкционные цветные материалы: изменение цвета в зависимости от угла обзора, недостаточный блеск поверхности, сложность покрытия сложных изогнутых поверхностей и несовместимость с традиционными защитными покрытиями.
Если в будущем можно будет подтвердить его стоимость, стойкость к погодным условиям и устойчивость к царапинам посредством крупномасштабного производства, это беспигментное покрытие получит возможность войти в область окраски кузовов автомобилей. Для производителей самолетов потенциальная экономическая ценность снижения веса покрытий также значительна.
Конечно, по-прежнему необходима долгосрочная проверка, начиная с результатов лабораторных исследований и заканчивая фактической заменой существующих систем автомобильной окраски. Но это исследование показывает многообещающее направление для развития материалов: цвет будущих автомобилей, возможно, больше не будет зависеть от большого количества химических пигментов, а может напрямую управлять светом через наноструктуры, чтобы материал сам производил цвет.
Комментарии