Forestil dig blå vandflasker, der farves uden kemiske farvestoffer og genbruges direkte som grønne flasker til sodavand. Kan man lave youghurtbægre, hvor intet af indholdet bliver sidende tilbage i emballagen eller computerskærme, der ikke reflekterer lyset?
Dette er blot nogle af de mange industrielle fordele, som udbredelsen af nanoteknologi kan åbne op for. Inspirationen til en sådan funktionalisering kan findes i naturen, hvor eksempelvis vanddråber afvises af lotusblomstens blade på grund af en særlig overfladestruktur eller hos visse sommerfuglearter, hvor farverige vingedekorationer ikke skyldes farvepigment, men vingernes overfladestrukturer.
Eksempelvis opnår flere af medlemmerne i familien af morpho-sommerfugle deres klare blå farve som følge af en kompliceret 3D-nanostruktur i vingerne (se figur 1).
Inspireret af disse naturlige strukturelle farver har DTU de senere år forsket intensivt i mulighederne for at benytte lignende principper til farvning af masseproducerede plastikprodukter. Dette er foregået i projekterne NanoPlast og Plast4Future.
De optiske nano-strukturer kan farve plastikken, gøre den anti-reflektiv, skabe changerende farver, glimmereffekter eller lignende. Alt sammen baseret på struktur, i stedet for kemi.
Lys er bølger af elektromagnetisk stråling
For at kunne skabe farvet plastik uden brug af pigment må man først spørge, hvad der egentlig gør et objekt farvet? I fysisk forstand er det lyset, der forlader objektet, der efterlader os med et farveindtryk.
Lys er bølger af elektromagnetisk stråling og det er lysets bølgelængde som, i samspil med øjets følsomhed og hjernens fortolkning, afgør hvilken farve vi ser. For eksempel opfattes lys med en bølgelængde omkring 450 nm som blåt af mennesker.
Generelt kan vi se bølgelængder mellem 380 nm og 750 nm, og hvidt lys består af en ligelig fordeling af disse bølgelængder. Hvilket lys, der forlader objektet afhænger dels af hvilket lys der skinner ind på objektet og dels af objektets refleksionsegenskaber.
Atomer og molekyler har den egenskab, at de kan optage og udsende lys ved bestemte bølgelængder. Derfor vil et objekt i udgangspunktet absorbere en mængde lys ved bestemte bølgelængder, mens lyset ved de resterende bølgelængder reflekteres og bestemmer objektets farve.
Strukturer skal være mindre
Når lyset interagerer med objekter, der er meget større end bølgelængden, har bølgeegenskaberne ingen eller meget lidt indflydelse på vores oplevelse af objektet.
Det gælder for eksempel lys, der passerer gennem et vindue eller reflekteres fra overfladen af et spejl. Men hvis overfladen på spejlet består af strukturer på samme længdeskala som bølgelængden, begynder bølgenaturen at dominere og lyset vil interagere med strukturerne.
Uden at gå nærmere i detaljer, betyder det i praksis at strukturerne skal være mindre end 10 µm for at være interessante til changerende farver og under 500 nm for at kunne bruges til mere vinkelrobuste farvereffekter.
Forholdet mellem bølgelængde og afstand afgør reflektionen
Morpho-sommerfuglens vinger består af en horisontal lagstruktur, hvor lagtykkelsen typisk er nogle få hundrede nanometer. En sådan struktur giver anledning til bølgefænomenet konstruktiv interferens, hvor bølgerne med den optimale bølgelængde intensitet forstærkes i retning væk fra overfladen.
Det er forholdet mellem lysets bølgelængde og afstanden mellem lagene, der afgør hvilke bølgelængder, der reflekteres kraftigt, og hvilke der ikke gør.
Disse principper for farveskabelse står i kontrast til den traditionelle måde at farve produkter på. De mange klare farver vi i dag ser i forskellige plastikprodukter, for eksempel i legetøj, fremkommer som følge af indfarvning af plastikken eller ved hjælp af overfladedekorationer med maling.
Ved indfarvning af plastikken blandes den rene gennemsigtige plastik med et kemisk farvestof, der gør, at plastikdelen får den ønskede farve. Farven rød, blå eller noget helt tredje afhænger af det farvestof der blandes i. Derudover bruges overfladedekorationer, for eksempel til firmalogoer. Dekorationer males eller printes på overfladen med andre farvestoffer efter at plastikken er blevet formet.
Farvestofferne er kemisk bundet til plastikken
Disse mange forskellige farvestoffer i det færdige produkt gør det svært at genbruge plastik.
Farvestofferne er kemisk bundet i plastikken og det er derfor ikke muligt at blande gammel indfarvet plastik for at lave en ny plastikdel med en ny farve, hvilket i praksis betyder, at plastikken må mekanisk farvesortereres før den kan genanvendes.
Derudover fremstilles råmaterialet som et biprodukt ved destillering af råolie på olieraffinaderierne og produktionen af ny ren plastik er derfor afhængig af en vedvarende olieproduktion. Der er således gode argumenter for at undersøge alternativer til den traditionelle fremstillingsmetode for plastikprodukter.
Råmaterialet kan genbruges flere gange
I den kontekst fremstår strukturel farvning af plastik som et attraktivt alternativ, da funktionaliteten er baseret på mikro- og nano-strukturer i overfladen.
Man kan forestille sig et stykke rent plastik, for eksempel en vandflaske, som fremstår blå på grund af en struktur i overfladen ligesom morpho-sommerfuglene. Når det samme stykke plastik omsmeltes, kan der defineres en ny struktur i overfladen, som gør, at den nye flaske fremstår grøn.
Råmaterialet kan således genbruges igen og igen, og få ændret egenskaber undervejs. Dette lyder meget tiltalende i forhold til genanvendelse, men der er stadig store teknologiske udfordringer i forhold til at nå frem til det beskrevne scenarie.
Dels skal man identificere de strukturer, der giver den ønskede funktionalitet, dels skal man finde en måde at fremstille disse strukturer i plastikken – og til sidst skal man finde en måde at beskytte strukturerne, så de ikke slides af ved berøring.
Langt de fleste plastikprodukter, der produceres i betydelig mængde, fremstilles ved hjælp af sprøjtestøbning. Dette er en replikationsproces, hvor man starter med en stålform med et hulrum, formet efter den ydre geometri man ønsker plastikdelen skal have. Under højt tryk sprøjtes varm flydende plastik ind i formen, plastikken køles ned, formen åbnes og den færdige hårde plastikdel kan tages ud.
Nanostrukturerne kan ætses ind i overfladen på støbeformen
I forhold til strukturel farvning, kan små nano-strukturer med samme længdeskala som lysets bølgelængde kun defineres med dyrt, langsomt udstyr. Derfor er det i praksis for omfattende at definere strukturer på nano-skala efter støbning på hver enkelt støbte element, som man traditionelt har gjort det med dekorationsmaling.
I stedet kan nano-strukturerne ætses ind i overfladen på støbeformens inderside. I sprøjtestøbeprocessen overføres nano-strukturerne så automatisk til plastikoverfladen i samme fabrikationstrin som formgivningen af elementet.
Denne fabrikationsmetode sætter dog nogle begrænsninger for hvilke typer strukturer, der kan fremstilles, og derved også hvilke typer strukturelle farver man kan lave. Som allerede nævnt, fremkommer sommerfuglens farver som følge af lagdelte 3D-strukturer.
Disse kan ikke skabes i en sprøjtestøbeproces, da det ikke vil være muligt at frigøre strukturerne fra formen. Derved kan man ikke blot kopiere sommerfuglen. For at kunne opskalere processen skal strukturerne kunne frigøre sig fra formen.
Farver kan kun baseres på changerende diffraktionseffekter
Denne geometriske industrielle begrænsning har vist sig at være meget problematisk i forhold til at fremstille farver, der er uafhængig af observationsvinkel i ren plastik.
Farver kan kun baseres på changende diffraktionseffekter, hvor farven ændrer sig når observationsvinklen ændrer sig, som det for eksempel ses når man holder en CD eller en DVD op i lyset. Efter intensive studier, har det vist sig særdeles udfordrende at skabe kontrastfyldte vinkel-robuste farver i ren plastik baseret på sprøjtestøbning.
Derfor har vi udviklet en metode, der muliggør vinkeluafhængige strukturelle farver i masseproducerede plastikprodukter ved hjælp af en tynd metalfilm, såkaldte plasmonfarver. Først støbes en plastikoverflade, som består af søjler arrangeret i en gitterstruktur. Derefter pådampes et ultratyndt lag aluminium (20 nm).
Når metallet pådampes på den rigtige måde, lægger der sig en lille aluminiumdisk på toppen af hver plastiksøjle. Derudover dannes der aluminum i bunden som en kontinuerlig film. Aluminiums-diskene på overfladen gør det muligt at skabe såkaldte lokaliserede overfladeplasmoner.
Man kan designe hvilke bølgelængder, der skal absorberes
Det er svingninger, der opstår, når lyset interagerer med de frie elektroner i metallet. Lysets elektromagnetiske felt og elektronerne kobles således, at der overføres energi til elektronerne, som derved sættes i bevægelse.
For en konstant diskdiameter vil nogle bølgelængder koble kraftigt til elektronerne og lyset absorberes, mens andre vil koble svagere. På den måde kan man designe hvilke bølgelængder der skal absorberes og hvilke der skal reflekteres fra overfladen.
Søjlernes diameter og periode afgør overfladens farve og det er derved teoretisk muligt at lave et stort udvalg af forskellige farver.
Overfladen kan gøres robust overfor fedtede fingre
Fra et eksperimentelt perspektiv har vi siden eftervist, at det muligt at lave søjler med diametre 50-150 nm i relevante plastikmaterialer. Den varierende diameter af søjlerne fører efter pådampning til metaldiske med tilsvarende variation, hvilket i sidste ende fører til forskellige farver af hvert område.
Man kan lave store sammenhængende områder, hvor diskene har samme størrelse for at få en konstant farve, eller man kan variere diameteren i et bestemt mønster for at dekorere overfladen. I forhold til vinkelafhængighed har vi målt og observeret at farverne i et stort vinkelinterval forbliver konstante.
Derudover har vi vist, at overfladen kan gøres robust overfor fedtede fingre og slid ved at påføre en beskyttelsescoating ovenpå metallet. Ved at optimere det samlede systems optiske egenskaber, er det muligt at lave overflader som fungerer i almindelige lysmiljøer og som kan tåle dagligdagsbrug.
Det kræver stor kotrol over sprøjtestøbeprocessen
Efter flere års arbejde er således lykkedes at udvikle strukturelle farver til plastikprodukter baseret på en platform, som består af en nano-struktureret plastikoverflade, et tyndt lag af aluminium og en coating til at beskytte overfladen.
Med disse tre materialer kan man lave mange forskellige farver hvor traditionel farvning kræver et nyt farvestof for hver farve. Mængden af aluminum, der skal bruges, er så lille, at det vil have ringe indflydelse på plastikkens egenskaber ved omsmeltning, og hvis man kan finde en coating, der kan genbruges sammen med den originale plastik, er man næsten i mål.
Der er dog stadig teknologiske udfordringer på vejen frem mod masseproduktion. Blandt andet kræver det stor kontrol over sprøjtestøbeprocessen for at kunne replikkere nano-strukturerne i en kvalitet der leder til den ønskede effekt.
Men hvis de teknologiske udfordringer overkommes kan fremtidens plastikoverflader være farvet med plasmoniske strukturelle farver. Plasmonfarverne er klar.
