Учёные создали яркие нетоксичные пигменты жёлтого, оранжевого и красного цветов

Схематическое изображение структуры Zn_2-xNi_xV₂O₇, напоминающей тортвейтит (вверху). Замена цинка на никель создаёт жёлтые, оранжевые и красные оттенки при изменении значения x (внизу). Атомы цинка/никеля показаны красными сферами в искажённой пятикоординационной тригонально-бипирамидальной среде, образованной атомами кислорода (бирюзовые сферы). Атомы ванадия показаны жёлтыми сферами в тетраэдрической координации атомов кислорода. Автор: Мас Субраманиан, Колледж науки Университета Орегона.

Исследователи пигментов из Университета Орегона используют редкий минерал, обнаруженный в Норвегии более века назад, в качестве основы для создания новых ярких, долговечных, нетоксичных и недорогих жёлтых, оранжевых и красных пигментов.

Новые пигменты также обладают энергосберегающим потенциалом: их способность отражать солнечное тепло означает, что здания и транспортные средства, покрытые ими, будут требовать меньше кондиционирования воздуха.

Исследование под руководством Маса Субраманиана, который вошёл в историю цветов в 2009 году с открытием яркого синего пигмента, известного сейчас как YInMn Blue, было опубликовано в журнале Chemistry of Materials.

Работа сосредоточена вокруг кристаллической структуры тортвейтита, силиката, содержащего скандий и иттрий. Силикаты — это соединения, содержащие кремний и кислород.

Хотя тортвейтит не известен яркими цветами, введение в кристаллическую решётку, подобную тортвейтиту, распространённых элементов — никеля, цинка и ванадия — позволило учёным получить коллекцию интенсивных жёлтых, оранжевых и красноватых пигментов.

«Получающийся цвет зависит от концентрации и структурного окружения двухвалентного никеля, который является основным хромофором, ответственным за цвет», — пояснил Субраманиан, заслуженный профессор химии и профессор материаловедения в Колледже науки Университета Орегона.

Хромофоры — это части молекулы, которые определяют цвет, отражая одни длины волн света и поглощая другие.

«Хотя известно, что двухвалентный никель создаёт жёлтые и зелёные цвета в неорганических соединениях, он редко даёт оранжевые и/или красные оттенки», — отметил Субраманиан. «Обнаруженные пигменты стабильны при высоких температурах и в кислых средах без изменения структуры или цветовых свойств, и их можно производить на воздухе при относительно низких температурах, около 750°C, что делает крупномасштабное производство осуществимым».

Субраманиан отмечает, что поиск ярких неорганических пигментов ведётся на протяжении всей письменной истории, часто с ограниченным успехом из-за проблем стабильности и токсичности.

«Из-за этого используемые в настоящее время неорганические жёлтые, оранжевые и красные пигменты постепенно выводятся из употребления для крупномасштабных покрытий и цветовых применений», — сказал он. «Было предложено несколько замен, но все они имеют проблемы со стабильностью, и большинство из них не являются коммерчески жизнеспособными».

В 2009 году Субраманиан совершил случайное открытие, потрясшее мир цвета, когда во время экспериментов с новыми материалами для электроники он обнаружил глубокий, яркий, долговечный синий цвет. Это был первый новый неорганический синий пигмент, открытый за более чем два столетия. Среди других достижений YInMn Blue — названный в честь компонентов иттрия, индия и марганца — вдохновил Crayola на создание нового цвета карандаша: Bluetiful.

«Большинство пигментов открываются случайно», — сказал Субраманиан. «Причина в том, что происхождение цвета материала зависит не только от химического состава, но и от сложного расположения атомов в кристаллической структуре. Поэтому кто-то должен сначала создать материал в лаборатории, а затем тщательно изучить его кристаллическую структуру, чтобы объяснить цвет».

С момента открытия YInMn Blue Субраманиан работает над рациональным подходом к поиску пигментов, чтобы уменьшить роль случайности в этом процессе. Однако, несмотря на недавние достижения в квантово-механических теориях и вычислительных методах, предсказание кристаллической структуры, которая даст интенсивный неорганический пигмент желаемого цвета, всё ещё остаётся сложной задачей.

«Случайность по-прежнему будет играть роль в новых открытиях пигментов, поскольку наука не всегда следует предписанному пути, и это добавляет азарта исследованиям цвета», — сказал он. «Но наш подход обещает ускорить разработку новых пигментов с целевыми цветами и функциональными возможностями».

Дополнительная информация: Yi-Chia Lin и др., Intense Yellow/Orange/Red Pigments Based on a Thortveitite-like Structure without Toxic Elements: Zn_2-xNi_xV₂O₇, Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00324

Источник: Oregon State University