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Nov 15, 2023

Inspirándose en las mariposas: un científico crea la pintura más ligera del mundo

Por la Universidad de Florida Central 2 de abril de 2023 Un investigador de la Universidad de Florida Central ha desarrollado una pintura liviana y ecológica inspirada en las mariposas. La pintura plasmónica utiliza nanoescala.

Por Universidad de Florida Central 2 de abril de 2023

Un investigador de la Universidad de Florida Central ha desarrollado una pintura ligera y ecológica inspirada en las mariposas. La pintura plasmónica utiliza estructuras a nanoescala en lugar de pigmentos, lo que da como resultado colores duraderos y de bajo consumo energético. También es la pintura más ligera del mundo, con una coloración completa lograda con tan solo 150 nanómetros de espesor.

En lugar de pintura coloreada a base de pigmentos, que requiere moléculas sintetizadas artificialmente, un investigador de la UCF ha desarrollado una forma alternativa de producir pintura coloreada que es más natural, respetuosa con el medio ambiente y ligera.

A researcher has developed an environmentally friendly, lightweight, and long-lasting paint inspired by butterflies. Instead of using artificially synthesized pigment molecules, the plasmonic paint employs nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Disposiciones estructurales a nanoescala de materiales incoloros, como aluminio y óxido de aluminio, para producir colores. Este color estructural es más ecológico y energéticamente eficiente, ya que refleja todo el espectro infrarrojo, manteniendo las superficies más frescas y reduciendo potencialmente el uso de aire acondicionado. La pintura también es extremadamente liviana, con una coloración completa lograda con un espesor de solo 150 nanómetros, lo que la convierte en la pintura más liviana del mundo. Las investigaciones futuras se centrarán en aumentar la producción y explorar el potencial de ahorro de energía de la pintura para aplicaciones comerciales.

El investigador de la Universidad de Florida Central, Debashis Chanda, profesor del Centro de Tecnología de Nanociencia de la UCF, se inspiró en las mariposas para crear la primera alternativa multicolor, a gran escala y respetuosa con el medio ambiente a los colorantes a base de pigmentos, que puede contribuir a los esfuerzos de ahorro de energía y ayudar a reducir el calentamiento global.

The development was published in the journal Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances como artículo destacado.

La pintura plasmónica desarrollada por la UCF utiliza una disposición estructural a nanoescala de materiales incoloros (aluminio y óxido de aluminio) en lugar de pigmentos para crear colores. Aquí se aplica pintura plasmónica a las alas de mariposas metálicas, el insecto que inspiró la investigación. Crédito: Universidad de Florida Central

“The range of colors and hues in the natural world are astonishing — from colorful flowers, birds and butterflies to underwater creatures like fish and cephalopodsCephalopods are a type of marine animal that includes squids, octopuses, cuttlefish, and nautiluses. They are known for their intelligence and advanced sensory abilities, and have a unique body structure that allows them to move quickly through the water using jet propulsion. Cephalopods have tentacles, which they use to capture prey and defend themselves, and can change the color and pattern of their skin to communicate and camouflage. They are found in all the world's oceans and are an important part of the marine ecosystem." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">cephalopods,” Chanda says. “Structural color serves as the primary color-generating mechanism in several extremely vivid speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Especies en las que la disposición geométrica de dos materiales típicamente incoloros produce todos los colores. Por otro lado, con los pigmentos artificiales, se necesitan nuevas moléculas para cada color presente”.

Basándose en estas bioinspiraciones, el grupo de investigación de Chanda innovó una pintura plasmónica, que utiliza una disposición estructural a nanoescala de materiales incoloros (aluminio y óxido de aluminio) en lugar de pigmentos para crear colores.

Mientras que los colorantes pigmentarios controlan la absorción de la luz basándose en la propiedad electrónica del material pigmentario y, por tanto, cada color necesita una nueva molécula, los colorantes estructurales controlan la forma en que la luz se refleja, dispersa o absorbe basándose únicamente en la disposición geométrica de las nanoestructuras.

Estos colores estructurales son respetuosos con el medio ambiente ya que sólo utilizan metales y óxidos, a diferencia de los colores actuales a base de pigmentos que utilizan moléculas sintetizadas artificialmente.

Los investigadores han combinado sus escamas de color estructural con un aglutinante comercial para formar pinturas duraderas de todos los colores.

Debashis Chanda, profesor del Centro de Tecnología de Nanociencia de la UCF, se inspiró en las mariposas para crear la nueva e innovadora pintura plasmónica, que se muestra aquí aplicada a alas de mariposa de metal. Crédito: Universidad de Florida Central

"El color normal se desvanece porque el pigmento pierde su capacidad de absorber fotones", dice Chanda. “Aquí no estamos limitados por ese fenómeno. Una vez que pintamos algo con color estructural, debería permanecer durante siglos”.

Additionally, because plasmonic paint reflects the entire infrared spectrum, less heat is absorbed by the paint, resulting in the underneath surface staying 25 to 30 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit más frío que si estuviera cubierto con pintura comercial estándar, dice el investigador.

"Más del 10% del total de la electricidad en EE. UU. se destina al uso de aire acondicionado", afirma Chanda. “La diferencia de temperatura que promete la pintura plasmónica conduciría a importantes ahorros de energía. Usar menos electricidad para enfriar también reduciría las emisiones de dióxido de carbono, disminuyendo el calentamiento global”.

La pintura plasmónica también es extremadamente ligera, afirma el investigador.

Esto se debe a la gran relación área-espesor de la pintura, con una coloración completa que se logra con un espesor de pintura de sólo 150 nanómetros, lo que la convierte en la pintura más liviana del mundo, dice Chanda.

La pintura es tan liviana que sólo alrededor de 3 libras de pintura plasmónica podrían cubrir un Boeing 747, que normalmente requiere más de 1,000 libras de pintura convencional, dice.

Chanda dice que su interés por el color estructural surge de la vitalidad de las mariposas.

"Cuando era niño, siempre quise construir una mariposa", dice. "El color atrae mi interés".

Chanda dice que los próximos pasos del proyecto incluyen una mayor exploración de los aspectos de ahorro de energía de la pintura para mejorar su viabilidad como pintura comercial.

"La pintura pigmentada convencional se fabrica en grandes instalaciones donde se pueden producir cientos de galones de pintura", dice. "En este momento, a menos que pasemos por el proceso de ampliación, todavía resulta caro producir en un laboratorio académico".

“Necesitamos aportar algo diferente, como no toxicidad, efecto refrescante y peso ultraligero, que otras pinturas convencionales no pueden ofrecer”, dice Chanda.

Referencia: “Pintura de color estructural plasmónica ultraligera” de Pablo Cencillo-Abad, Daniel Franklin, Pamela Mastranzo-Ortega, Javier Sánchez-Mondragón y Debashis Chanda, 8 de marzo de 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adf7207

Chanda tiene nombramientos conjuntos en el Centro de Tecnología de Nanociencia, el Departamento de Física y la Facultad de Óptica y Fotónica de la UCF. Recibió su doctorado en fotónica de la Universidad de Toronto y trabajó como becario postdoctoral en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Se unió a la UCF en el otoño de 2012.

Abstracto

Todos los colores comerciales actuales se basan en pigmentos. Si bien estos colorantes tradicionales a base de pigmentos ofrecen una plataforma comercial para la insensibilidad a grandes volúmenes y ángulos, están limitados por su inestabilidad en la atmósfera, decoloración y toxicidad ambiental severa. La explotación comercial de la coloración estructural artificial se ha quedado corta debido a la falta de ideas de diseño y a técnicas de nanofabricación poco prácticas. Aquí, presentamos una cavidad plasmónica de sublongitud de onda autoensamblada que supera estos desafíos y al mismo tiempo ofrece una plataforma adaptable para representar colores estructurales vivos independientes del ángulo y la polarización. Fabricadas mediante técnicas a gran escala, producimos pinturas independientes listas para usarse en cualquier sustrato. La plataforma ofrece coloración completa con una sola capa de pigmento, densidad superficial de 0,4 g/m2, lo que la convierte en la pintura más ligera del mundo.