تصویر روز ـ به گزارش ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، بال‌های آبی درخشان پروانه مورفو رنگ خود را از رنگ‌دانه‌ها دریافت نمی‌کنند، بلکه این رنگ نتیجه تعامل نور با ساختارهای میکروسکوپی سطح آن است. این پدیده که به “رنگ ساختاری” معروف است، می‌تواند انقلابی در صنعت رنگرزی نساجی ایجاد کند؛ صنعتی که به دلیل آلودگی شدید محیط زیست همواره مورد انتقاد بوده است.

رنگ‌های شیمیایی مورد استفاده در نساجی باعث آلودگی آب، تولید ضایعات سمی و کاهش کیفیت رنگ با گذر زمان می‌شوند. اما اکنون پژوهشگران دانشگاه ژیجیانگ سای-تک نانوپیگمنت‌های ویژه‌ای طراحی کرده‌اند که می‌تواند نحوه رنگرزی پارچه را تغییر داده و هم‌زمان چالش‌های زیست‌محیطی و عملکردی را برطرف کند.

رنگرزی پارچه یکی از فرآیندهای صنعتی با مصرف بالای آب و آلودگی شدید است. طبق آمارهای صنعتی، روش‌های رایج رنگرزی به طور معمول بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ لیتر آب برای هر کیلوگرم پارچه مصرف کرده و مقادیر زیادی مواد شیمیایی مضر را وارد منابع آبی می‌کنند. علاوه بر این، رنگ‌های معمولی به مرور زمان در اثر نور و شست‌وشو از بین می‌روند. به همین دلیل، تولیدکنندگان پارچه و متخصصان محیط زیست به دنبال راهکارهایی هستند که علاوه بر حفظ درخشندگی رنگ، آلودگی را نیز کاهش دهند.

رنگ‌های ساختاری بر خلاف رنگ‌های معمولی که با جذب طول موج‌های خاصی از نور ایجاد می‌شوند، نتیجه بازتاب انتخابی نور از ساختارهای فیزیکی نانومقیاس هستند. این رنگ‌ها بدون تجزیه شیمیایی، همواره درخشان باقی می‌مانند و تا زمانی که ساختارهای فیزیکی آن‌ها سالم بماند، ظاهر خود را حفظ می‌کنند. همچنین، این رنگ‌ها می‌توانند با تغییر اندازه و فاصله ساختارهای نانویی، در طیف وسیعی از رنگ‌های قابل مشاهده تنظیم شوند، بدون آنکه نیازی به استفاده از ترکیبات شیمیایی متنوع باشد.

یکی از چالش‌های اساسی در استفاده از رنگ‌های ساختاری در پارچه، دشواری اعمال این فناوری بر روی سطوح ناهموار و متخلخل پارچه است. روش‌های فعلی نیازمند چیدمان دقیق نانوکره‌های کلوئیدی در قالب کریستال‌های فوتونیکی هستند که می‌تواند ساعت‌ها یا روزها طول بکشد. این روش‌ها اغلب باعث گرفتگی فضاهای بین الیاف پارچه شده و قابلیت تنفس و راحتی آن را کاهش می‌دهند. علاوه بر این، بیشتر روش‌های موجود قادر به ایجاد رنگ‌آمیزی دوطرفه در یک مرحله نیستند.

برای حل این مشکلات، محققان چینی نانوپیگمنت‌های فوتونیکی جدیدی تولید کرده‌اند که متشکل از نانوکره‌های سیلیکا با ساختارهای متامتری نامنظم و بار سطحی بالا هستند. این نانوپیگمنت‌ها قادرند به طور مستقل رنگ‌های درخشان و غیر بازتابی ایجاد کنند، بدون آنکه نیاز به فرآیندهای خودآرایی پیچیده داشته باشند.

محققان این نانوپیگمنت‌ها را از طریق فرآیندی چندمرحله‌ای تولید کرده‌اند. آن‌ها ابتدا بذرهای پلی‌استایرن را از طریق پلیمریزاسیون امولسیونی بدون صابون سنتز کرده و سپس با استفاده از واکنش‌های سل-ژل، لایه‌ای از سیلیکا روی آن اعمال کردند. در مرحله بعد، با استفاده از سدیم هیدروکسید، ساختارهای متامتری نامنظمی روی پوسته سیلیکا ایجاد کرده و سپس آن را در دمای بالا کلسینه کردند. این فرآیند باعث کربنیزه شدن هسته پلی‌استایرن و تبدیل آن به یک لایه نازک کربنی شد و در نهایت نانوکره‌های توخالی سیلیکا (H-SiO۲) شکل گرفتند.

یکی از نوآوری‌های کلیدی این پژوهش، بهبود ویژگی‌های سطحی نانوذرات بود. پس از کلسینه شدن، این نانوکره‌ها به دلیل کمبود گروه‌های هیدروکسیل، پخش‌پذیری ضعیفی در آب داشتند. برای حل این مشکل، محققان از یک راهبرد اچینگ ملایم در دمای ۹۵ درجه سانتی‌گراد و محیط قلیایی با pH=۱۲ استفاده کردند که باعث افزایش بار سطحی نانوذرات از ۱۲.۲۵- به ۳۴.۷۶- میلی‌ولت شد و پایداری آن‌ها در آب را به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

این تیم تحقیقاتی موفق شد نانوپیگمنت‌هایی در شش رنگ مختلف شامل سرخابی، بنفش، آبی، فیروزه‌ای، سبز و نارنجی تولید کند. این رنگ‌ها دارای بازتاب‌های نوری مشخص در محدوده ۴۶۸ تا ۶۲۸ نانومتر هستند که نشان‌دهنده تطبیق‌پذیری گسترده این سیستم در طیف نور مرئی است.

فرآیند رنگرزی پیشنهادی به سادگی و کارآمدی قابل اجراست. محققان نانوپیگمنت‌ها را با یک امولسیون اکریلیک بر پایه آب، اسید تانیک و مقدار کمی کربن سیاه مخلوط کردند. پارچه پنبه‌ای پس از غوطه‌ور شدن در این محلول و خشک شدن در دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد، رنگ ساختاری یکنواخت و درخشانی را در هر دو طرف خود به دست آورد.

این روش نه‌تنها باعث بهبود دوام رنگ شد، بلکه قابلیت تنفس و نرمی پارچه را نیز حفظ کرد. همچنین، آزمایشات نشان داد که پارچه رنگ‌شده با این روش حتی پس از ۵۰ بار شست‌وشو، خیس شدن در آب و اعمال ارتعاشات شدید، رنگ خود را حفظ می‌کند.