Molto più che colorato
I colori possono essere creati in modi molto diversi. Ma una ricchezza di colori non è solo bella da vedere, i colori possono anche avere una funzione importante.
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![Cioccolato iridescente colorato](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/06/globe-viel-mehr-als-bunt/_jcr_content/articleLeadImage/image.imageformat.carousel.631202905.jpg)
"Il motivo per cui il cioccolato è marrone è simile alla domanda sul perché il cielo è blu", dice Ralph Spolenak. ? professore di nanometallurgia presso il Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali dell'ETH di Zurigo. Sono le particelle - nel caso del cioccolato quelle del cacao in polvere, nell'atmosfera le molecole dell'aria - a diffondere la luce in modo tale che alla fine solo la parte marrone o blu finisce nei nostri occhi. Le particelle determinano anche l'intensità del colore. Più cacao c'è nel cioccolato, più forte è la sua influenza sulla dispersione dei raggi di luce incidente e più scuro è il cioccolato.
Henning Galinski, collaboratore del gruppo di ricerca di Spolenak, si è occupato della scienza del cioccolato: "Il fisico ha collaborato intensamente con i gruppi di ricerca dell'ETH sui materiali complessi e sull'ingegneria dei processi alimentari e con l'école spécialisée della Svizzera nord-occidentale.
Oltre alla diffusione della luce, il team ha esaminato anche la riflessione della luce. Nel processo di riflessione, il raggio di luce cade su una superficie e, a differenza della diffusione, viene riflesso con un angolo fisso. Questo accade, ad esempio, con le superfici metalliche o gli specchi. "Abbiamo impresso un profilo specifico nella superficie del cioccolato per piegare la luce riflessa in questo reticolo ottico", spiega Galinski. Il profilo divide i raggi di luce incidente nei loro colori spettrali: Il cioccolato brilla nei più bei colori dell'arcobaleno, senza alcuna modifica chimica o rivestimento aggiuntivo.
A occhio nudo
"Il cioccolato iridescente è visivamente attraente. Ma questo è sempre nell'occhio di chi guarda, naturalmente", dice Spolenak. Ma i colori possono essere molto più che attraenti. E possono essere giudicati in modo oggettivo. Galinski si guarda indietro: "Ci siamo chiesti se potevamo usare i colori per leggere le proprietà dei materiali". Per esempio, come cambia la durezza di una lega quando si scalda?
Lo scienziato parla di un'applicazione specifica: Se una turbina di un impianto eolico si surriscalda, il materiale può danneggiarsi. Diventa instabile. Ma il monitoraggio in elicottero delle turbine dei parchi eolici in apertura richiede tempo e costi elevati. "Abbiamo sviluppato un sistema per poter leggere in modo permanente le variazioni delle proprietà con una semplice misurazione ottica", spiega Galinski. "Siamo riusciti a collegare una variazione di colore direttamente a una variazione della durezza del materiale o a una variazione della resistenza elettrica".
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Galinski fornisce un altro esempio: insieme all'Empa, gli scienziati dell'ETH hanno trasferito il concetto di sensore ai tessuti. "Abbiamo applicato alle fibre tessili un sistema termocromico che indica a colori i danni materiali dovuti al calore", che in alcune circostanze può essere salvavita. I vigili del fuoco sono spesso esposti a situazioni molto critiche. Se un materiale come una corda o un capo di abbigliamento si surriscalda a causa del fuoco o di un forte attrito, la sua funzione viene compromessa. Il cambiamento di colore indica il danno e mette in guardia da un ulteriore utilizzo.
Il colore diventa così un riflesso della funzione e una componente sensoriale. "Noi esseri umani giudichiamo il nostro ambiente in base ai colori per tutto il giorno. Il rosso nel traffico stradale, ad esempio, significa 'stop'", afferma Galinski. E Spolenak aggiunge: "Il danno materiale è fondamentalmente microscopico, ma il nostro sistema a strati amplifica gli effetti e quindi alla fine diventano visibili a occhio nudo attraverso il cambiamento di colore" Il sistema sulle fibre tessili è composto da diversi strati. Tuttavia, solo lo strato più esterno, spesso solo 20 nanometri, reagisce alla temperatura. Si cristallizza e il colore cambia.
Poco materiale, molta luce
"Tuttavia, siamo interessati anche alle interazioni luminose su larga scala basate su strati sottili", afferma Ralph Spolenak. E per una buona ragione: se una grande quantità di luce può essere catturata in una piccola quantità di materiale fino al suo completo assorbimento, questo ha un enorme potenziale nel campo delle celle solari e di altri materiali energetici. "Se questo tipo di concentrazione della luce, che può essere utilizzata anche per creare colori, richiede solo un piccolo volume di materiale, è molto efficiente", aggiunge la fisica Galinski.
Il gruppo di Spolenak ha recentemente sviluppato un principio per catturare in modo efficiente la luce utilizzando reti nanoscopiche. Queste reti sono costituite da una lega speciale e permettono di assorbire fino al 99% della luce, indipendentemente dall'angolo di incidenza.
Qualche anno fa, il gruppo, insieme a un team internazionale di ricercatori, ha sviluppato con successo un principio per produrre rivestimenti metallici di diversi colori. Il materiale di rivestimento consiste in una speciale struttura fine composta da due diversi strati. Lo strato inferiore è costituito da una rete di metalli intervallati da minuscoli pori. La parte superiore è costituita da un sottile strato di ossido. Il colore viene creato principalmente dall'interazione della luce con lo strato di confine disordinato dei due materiali. Lo spessore di questo strato determina il colore: ad esempio, 12 nanometri rendono il materiale verdastro, 24 nanometri giallo e 48 nanometri blu.
Anche Claudiadele Polinari della scuola di maturità liceale ha prodotto colori strutturati come parte della sua tesi di maturità. Voleva rappresentare una gamma di colori più ampia possibile e non solo alcuni singoli colori. Con il suo principio a due strati, tuttavia, la giovane ricercatrice ha raggiunto i suoi limiti con le sfumature di verde. Nonostante questo, o forse proprio per questo, ha imparato molto durante il suo breve soggiorno di ricerca all'ETH. E i molti campioni di colore di successo sono ora appesi incorniciati come un quadro alla parete sopra il tavolo delle riunioni. ? bello quando i risultati di ricerca sono così attraenti dal punto di vista visivo.
Alle persone
Ralph Spolenak è professore di nanometallurgia presso il Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali dell'ETH di Zurigo.
Henning Galinski lavora come scienziato senior nel gruppo di ricerca di Ralph Spolenak.
Letteratura di riferimento
Galinski H et al. Proprietà ottiche e colorazione strutturale del cioccolato. Appl. Phys. Lett. 02 novembre 2020. DOI: pagina esternahttps://doi.org/10.1063/5.0028535
Schnabel V et al. Sensori strutturali di colore con memoria termica: misurare le proprietà funzionali dei nitruri a base di Ti con la vista. Materiali ottici avanzati. 26 luglio 2018: pagina esternahttps://doi.org/10.1002/adom.201800656
Galinski H et al. Rivestimenti funzionali su fibre polimeriche ad alte prestazioni per il rilevamento intelligente. Materiali funzionali avanzati. 16 febbraio 2020: pagina esternahttps://doi.org/10.1002/adfm.201910555
Wohlwend J et al. Ingegneria chimica di metamateriali a rete disordinata Cu-Sn. Nano Letters. 5 novembre 2021. DOI: pagina esternahttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03545
Galinski H et al. Colori strutturali scalabili e ultraresistenti basati su metamateriali di rete. Light Sci Appl. 27 settembre 2016: pagina esternahttps://doi.org/10.1038/lsa.2016.233
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Questo testo è stato pubblicato nel numero 22/02 della rivista dell'ETH Globo pubblicato.