Hokusai'nin Japonya'nın en ünlü sanat eserlerinden biri olan Kanagawa Açığındaki Büyük Dalga tablosuna yakından bakıldığında, parlak beyazların sanki sahneye boyanmış gibi göründüğü fark edilir. Oysa dalgaların beyaz köpüğü, Fuji Dağı'nı kaplayan kar ve gökyüzündeki bulutlar hiç beyaz pigment içermez. Parlaklıkları geleneksel washi kağıdının açık liflerinden saçılan ışıktan gelir.
Bu etkiye yapısal beyazlık denir. Renkli bir maddeye dayanmak yerine, bir malzemenin mikroskobik yapısının ışıkla etkileşme biçiminden ortaya çıkar.
Aynı temel olgu doğada her yerde görülür. Deniz püskürtmesi, bulutlar ve kar, yapılarının görünür ışığı son derece verimli şekilde saçması nedeniyle yoğun beyaz görünür. Benzer etkiler bitki dokularında ve hatta bazı kurbağaların yaptığı köpüklü koruyucu yuvalarda da bulunabilir. Birçok durumda bu yapılar büyük ölçüde havadan oluşur, yine de hiçbir pigment olmadan çarpıcı beyazlık üretebilir.
Bu doğal strateji, Kyoto Üniversitesi Entegre Hücre-Malzeme Bilimleri Enstitüsü iCeMS Profesörü Easan Sivaniah liderliğindeki uluslararası bir ekibi ilham verdi. Ekip Tokyo Metropolitan Üniversitesi ve Donghua Üniversitesi'nden araştırmacılarla birlikte çalıştı. Amacı, yaygın kullanılan malzemelerin karşı karşıya olduğu iki büyük soruna çözüm olabilecek yeni bir köpük tabanlı malzeme platformu yaratmaktı.
Titanyum Dioksite ve PFAS'a Alternatifler
Beyaz ambalaj, filmler ve kaplamalar sıklıkla parlaklık ve opaklık sağlayan titanyum dioksit TiO2 kullanır. Ancak güvenlik endişeleri Avrupa Birliği'nin titanyum dioksiti gıda katkı maddesi olarak yasaklamasına yol açtı.
Bir diğer yaygın kullanılan kimyasal grubu olan PFAS, malzemelerin suyu ve yağı itmesini sağlar. Bu florlu maddeler çevre ve sağlık riskleri oluşturabileceği için çevrede kalıcı olma özellikleri nedeniyle giderek daha fazla incelemeye tabi tutuluyor. Bu endişeler dünya genelinde alternatif arayışını yoğunlaştırdı.
Araştırmacılar her iki soruna da eklenen kimyasallar yerine fiziksel yapıya odaklanarak yaklaştı. Doğal köpüklerin ışığı nasıl saçtığını taklit eden ve yapraklar ile çiçeklerde bulunan su itici yüzeylerden ilham alan dikkatle kontrol edilmiş gözenekli malzemeler tasarladılar.
“Biyomimetik bilimin karşı karşıya olduğu kilit zorluk, doğadan ilham alan çevre dostu malzeme tasarımlarını mevcut malzemelerin ölçeğinde ve maliyetinde gerçekleştirmektir,” dedi Tokyo Metropolitan Üniversitesi Doç. Prof. Taiki Yanagishima.
Işık ve Hafif Bir Çözücü Köpüğü Oluşturuyor
Üretim yöntemi nispeten basittir. İlk olarak polimer ışığa maruz bırakılır. Bu ışık polimeri daha küçük moleküler parçalara ayırır. Malzeme daha sonra bu parçalarla etkileşen hafif bir çözücüyle işlenir ve polimerin şişmesine neden olur.
Malzeme genişledikçe açık bir mikroskobik gözenek ağı geliştirir. Bu tek dönüşüm malzemeye iki faydalı özellik kazandırır.
Malzemenin içinde gözenekli yapı ışığı o kadar etkili saçar ki hiçbir pigment eklenmeden yoğun beyaz görünür. Yüzeyde köpük, lotus yaprağının yüzeyi gibi suyu güçlü şekilde iten son derece pürüzlü bir doku geliştirir.
Ekip bu sürece Derin Köpük Fotolitografisi DFP adını veriyor.
Polimer Filmlerden Kumaşlara
Çin'in önde gelen tekstil bilim ve mühendisliği kurumlarından Donghua Üniversitesi'ndeki tekstil araştırmacılarıyla iş birliği içinde araştırmacılar, yöntemin sadece yazdırılabilir polimer filmlerle sınırlı olmadığını gösterdi. Kumaşlara da uygulanabiliyor.
Bir diğer avantaj, sürecin tamamen yeni özel kimyasallara bağlı olmamasıdır. Araştırmacılar DFP'yi halihazırda ticari olarak temin edilebilen birkaç polimerle gösterdiler.
Ortaya çıkan yazdırılabilir malzeme platformu ultra yüksek çözünürlük 20.000 DPI elde edebilir. Aynı zamanda titanyum dioksit ve PFAS olmadan yapısal beyazlığı su yönetimi işlevselliğiyle birleştirir.
İşlevi Malzemenin Kendisine Yerleştirmek
Bu yaklaşım, çıkarılmış mineral pigmentlere ve kalıcı florlu kimyasallara olan bağımlılığı azaltırken daha hafif malzemeler için yeni fırsatlar yaratabilir.
Araştırmacılar renk üretmek için pigment eklemek veya yüzeylerin suyla etkileşimini kontrol etmek için kalıcı kimyasal kaplamalar uygulamak yerine bu özellikleri malzemenin fiziksel yapısının içine inşa ediyor.
Mikroskobik mimariyi ışık ve su kontrolünde kullanarak teknoloji, günlük malzemelerin tasarımı için kökten farklı ve potansiyel olarak daha sürdürülebilir bir yaklaşım sunuyor. Malzeme, istenen işlevi sağlamak için öncelikle kimyaya değil, yapıya dayanıyor.
