Учёные создали экологичные пигменты на основе редкоземельных элементов

Исследовательская группа под руководством профессора Даляньского университета национальностей Дун Бина разработала новое поколение экологически чистых пигментов, созданных из редкоземельных элементов, которые часто называют «промышленными витаминами». Эти пигменты призваны быть безопаснее, долговечнее и значительно дешевле существующих высококачественных альтернатив.

На протяжении десятилетий производители полагались на неорганические пигменты, содержащие свинец, ртуть и кадмий. Хотя эти металлы дают яркие, стабильные цвета, они представляют серьёзную опасность для здоровья. Даже будучи покрытыми для снижения воздействия, тяжёлые металлы могут выщелачиваться под воздействием экстремальной температуры или сильных кислот — включая желудочный сок, если ребёнок случайно проглотит игрушку. Длительное воздействие, как известно, повреждает нервную систему и почки, а также ухудшает способность организма производить кровь.

Прорыв произошёл, когда исследователи поняли, что ионы редкоземельных элементов поглощают и отражают свет способами, аналогичными традиционным высокопроизводительным пигментам. Превратить это открытие в пригодный для использования продукт оказалось непросто. Ионы редкоземельных элементов сильно взаимодействуют со светом, но также очень чувствительны. Сами по себе они часто дают слабые цвета, которые меняются в зависимости от условий освещения, что делает их непригодными для красок, пластика или потребительских товаров.

Чтобы стабилизировать цвета, команде потребовался подходящий материал-хозяин. Они выбрали силикоалюминат, который широко распространён, но имеет чрезвычайно сложную внутреннюю структуру. Исследователь Ло Сисянь отметил, что предсказать, где ион редкоземельного элемента расположится внутри этой структуры, было сложно. Если бы ион занимал неправильную позицию, цвет искажался. Команда скорректировала окружающую химическую среду, чтобы позволить ионам эффективно перемещаться между энергетическими уровнями, создавая глубокие, насыщенные оттенки.

Поскольку поведение ионов редкоземельных элементов в кристаллах трудно смоделировать, команда полагалась на обширные эксперименты, а не на компьютерное моделирование. В течение нескольких лет исследователи провели более 1000 целевых экспериментов, протестировав тысячи комбинаций материалов.

Этот процесс позволил им преодолеть присущую ионам редкоземельных элементов нестабильность и создать пигменты, которые сохраняют постоянный цвет при разном освещении. В отличие от многих существующих альтернатив, новые пигменты устойчивы к нагреву и старению. Они не выцветают при длительном воздействии солнечного света и не разрушаются во время высокотемпературной промышленной обработки.

Долговечность сочетается с ценовым преимуществом. Используя распространённые минералы и редкоземельные элементы, которые в настоящее время пользуются низким рыночным спросом, команда оценивает, что пигменты могут стоить примерно на 60% дешевле, чем сопоставимые высококачественные экологичные продукты. Исследователям уже удалось получить пигменты высокой насыщенности в четырёх основных цветовых системах: зелёной, жёлтой, оранжевой и красной.

Место проведения исследований имеет значение. Хотя редкоземельные элементы широко используются в электромобилях, ветряных турбинах и смартфонах, новые пигменты представляют собой шаг к применению передовых материалов в повседневных потребительских товарах, включая игрушки и предметы домашнего обихода.

Команда подписала предварительное соглашение о строительстве опытной производственной линии мощностью 500 метрических тонн в новом районе Цзиньпу провинции Ляонин. Исследователи продолжают работу по расширению цветового диапазона с целью замены токсичных пигментов в потребительских товарах.

По словам Дуна, цель — сделать нетоксичные материалы стандартным выбором для повседневного использования.

Тянь Жуйси внесла вклад в подготовку материала.