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May 02, 2024

これは世界で最も軽い塗料です

マックス・G・レヴィ・デバシ・チャンダは、絵を描くことができる物理学者を見つけるのに苦労していました。 セントラルフロリダ大学の彼のナノサイエンス研究室の研究者たちは、すでにその問題点を解明していた。

マックス・G・レヴィ

デバシス・チャンダは、絵を描くことができる物理学者を見つけるのに苦労しました。 セントラルフロリダ大学の彼のナノサイエンス研究室の研究者たちは、革新的な新しい種類の冷却塗料を作成するために必要なハイエンド機械のねじれをすでに解決していました。 彼らはバイアルに鮮やかな色を詰めていました。 しかし、いざ披露する段になって壁にぶつかりました。 「私たちは蝶を手で描くのがやっとでした。これは子供の絵のようなものです」とチャンダは言います。

とにかく彼らはそれをやった。 形と4色のデザインはベーシックに見えますが、そのシンプルさは欺瞞的です。 目に見えない次元まで深く拡大してみると、このペイントはあなたが知っているペイントとはまったく似ていません。

自然界では色が私たちの周りにあり、私たちはそれを顔料で再作成します。 顔料は、粉砕された鉱物、重金属、または化学物質であり、油の中に入れてキャンバスや車の上に塗り広げると考えることができます。コバルトは青になります。 黄土色の赤。 カドミウムイエロー。 「しかし、自然は私たちとはまったく異なる色の生成方法を持っています」とチャンダは言います。 クジャク、カブトムシ、蝶が着ているような自然界の最も鮮やかな外観の一部は、色素を使わずに本来の役割を果たしています。

それらの色は地形から来ています。 クジャクの羽、カブトムシの殻、蝶の羽の外面にある超顕微鏡的な風景は、光を回折させて構造色として知られるものを生成します。 耐久性が高く、色素がありません。 そして科学者にとって、それは地球に良いだけでなく、より暑い世界での生活にも役立つ可能性のある塗料を作成するための鍵です。

Science Advances に今月掲載された論文の中で、チャンダの研究室は、構造色に基づいたこの種では初めての塗料を実証しました。 彼らはこれが世界で最も軽い塗料であると考えています。そして、それは重量と温度の両方の点で意味します。 ペイントは、さらに小さなアルミニウム ナノ粒子が点在する小さなアルミニウム フレークで構成されています。 レーズン 1 個分の量で、ドアの表と裏の両方を覆うことができます。 十分に軽量なので、コーティングされた飛行機や自動車の燃料使用量を削減できる可能性があります。 顔料のように太陽光からの熱を閉じ込めることはなく、その成分はカドミウムやコバルトなどの重金属で作られた塗料よりも毒性が低いです。

アンジェラ・ウォーターカッター

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

ジョー・レイ

アリゾナ州立大学バイオミミクリセンターの共同所長であるデイナ・バウマイスター氏は、塗料にこれほど多くの隠された機能があることに驚かない。 「これは、自然にアドバイスを求めてデザインを再考すると何が可能になるかを示す素晴らしいデモンストレーションです」と彼女は言います。

あらゆる欠点があるにもかかわらず、ペイントに勝るものはありません。 人々は何千年もの間顔料を使用してきたため、適切な外観を実現するためのコツは絵の具メーカーによって習得されてきました。 「彼らは、光沢を変えるためにどのような添加剤を加えるべきかを正確に知っています。 彼らはそれを明るくしたり、トーンダウンしたりすることができます。彼らはこれらすべてを何百年もかけて解明しました」とチャンダは言います。

新しい形の塗料は、それを超えて、単なる美学ではなく物理学の領域にまで革新をもたらす必要があります。 それでも、チャンダの研究室のメンバーは偶然、彼らのイノベーションに遭遇しました。 彼らは絵の具を作り始めたわけではありませんでした。 彼らは鏡、具体的には電子ビーム蒸発器と呼ばれる装置を使用して構築される、長く連続したアルミニウムの鏡を作りたいと考えていました。 しかし、すべての試みで、彼らは小さな「ナノアイランド」、つまり目に見えないほど小さいが、鏡の輝きを乱すのに十分な大きさのアルミニウム原子の塊に気づきました。 ナノアイランドは、残念ながら連続した鏡ではなかったものの表面全体に現れました。 「本当に迷惑でした」とチャンダは振り返る。

そのとき、ひらめきが起こりました。この混乱は何か役に立つことをしているのです。 周囲の白色光がアルミニウムのナノ粒子に当たると、金属内の電子が励起され、振動または共鳴します。 しかし、寸法がナノスケールになると、原子はさらにうるさくなります。 アルミニウムナノ粒子のサイズに応じて、その電子は特定の波長の光に対してのみ振動します。 これにより、周囲の光が以前の一部、つまり単一の色として反射されます。 彼らが作ろうとしていた鏡のような反射面にアルミニウムの粒子を重ねることで、カラフルな効果が増幅されました。