پروانه مورفو با بال های آبی درخشان خود، رنگش را از رنگ دانه ها نمی گیرد، بلکه این زیبایی به واسطه تعامل نور با ساختارهای میکروسکوپی موجود بر سطح بال هایش به وجود می آید. این پدیده که تحت عنوان «رنگ ساختاری» شناخته می شود، می تواند تحولی در صنعت رنگرزی نساجی ایجاد کند؛ صنعتی که همواره به دلیل آلودگی شدید زیست محیطی مورد انتقاد قرار گرفته است.
رنگ های شیمیایی مرتبط با صنعت نساجی باعث آلودگی آب، ایجاد ضایعات سمی و کاهش کیفیت رنگ ها در گذر زمان می شوند. اما اکنون محققان دانشگاه ژیجیانگ سایتک موفق به طراحی نانوپیگمنت های خاصی شده اند که می تواند به شیوه رنگرزی پارچه ها تحول بخشیده و در عین حل مسائل زیست محیطی و عملکردی، کارایی خوبی ارائه دهد.
رنگرزی پارچه فرآیندی صنعتی است که به شدت آب بر بوده و آلودگی زیادی تولید می کند. بر اساس آمار موجود، روش های مرسوم رنگرزی بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ لیتر آب برای هر کیلوگرم پارچه مصرف کرده و مقدار زیادی مواد شیمیایی مضر را به منابع آبی روانه می کنند.
علاوه بر این، رنگ های معمولی با گذشت زمان به واسطه نور و شست وشو از بین می روند. از این رو، تولیدکنندگان پارچه و متخصصان محیط زیست در جستجوی راهکارهایی هستند که بتوانند درخشش رنگ ها را حفظ کرده و در عین حال آلودگی را به حداقل برسانند.
رنگ های ساختاری بر خلاف رنگ های متداول که با جذب طول موج های خاص نور تولید می شوند، حاصل بازتاب ی نور از ساختارهای فیزیکی نانومقیاس هستند. این رنگ ها با عدم نیاز به تجزیه شیمیایی، به طور مداوم درخشان باقی مانده و تا زمانی که ساختارهای فیزیکی آن ها دست نخورده بماند، ظاهر خود را حفظ خواهند کرد. به علاوه، این رنگ ها با تغییر اندازه و فاصله ساختارهای نانویی قابلیت تنظیم در طیف وسیعی از رنگ های قابل مشاهده را دارند، بدون اینکه نیازی به استفاده از ترکیبات شیمیایی مختلف باشد.
یکی از چالش های مهم در کاربرد رنگ های ساختاری برای پارچه، دشواری در اعمال این فناوری بر روی سطوح ناهموار و متخلخل پارچه است. روش های کنونی نیازمند سازماندهی دقیق نانوکره های کلوئیدی در قالب کریستال های فوتونیکی بوده که ممکن است ساعت ها یا حتی روزها زمان ببرد. این تکنیک ها اغلب فضاهای بین الیاف پارچه را مسدود کرده و در نتیجه قابلیت تنفس و راحتی آن را کاهش می دهند. علاوه بر این، بیشتر روش های موجود به خوبی نمی توانند رنگ آمیزی دوطرفه را در یک مرحله ایجاد کنند.
برای برطرف ساختن این چالش ها، محققان چینی نانوپیگمنت های فوتونیکی جدیدی طراحی کرده اند که از نانوکره های سیلیکا با ساختارهای متامتری نامنظم و بار سطحی بالا تشکیل شده اند. این نانوپیگمنت ها به طور مستقل قادرند رنگ های درخشان و غیر بازتابی تولید کنند، بدون نیاز به فرآیندهای خودآرایی پیچیده.
این محققان با استفاده از یک فرآیند چندمرحله ای این نانوپیگمنت ها را تولید کرده اند. در ابتدا، بذرهای پلی استایرن را از طریق پلیمریزاسیون امولسیونی بدون صابون سنتز کرده و سپس با استفاده از واکنش های سلژل، لایه ای از سیلیکا بر روی آن قرار دادند. سپس با به کارگیری سدیم هیدروکسید، ساختارهای متامتری نامنظمی بر روی پوسته سیلیکا ایجاد کردند و در مرحله آخر آن را در دمای بالا کلسینه کردند. این فرآیند منجر به کربنیزه شدن هسته پلی استایرن و تبدیل آن به یک لایه نازک کربنی شد که نهایتاً به شکل گیری نانوکره های توخالی سیلیکا (HSiO2) منجر گردید.
یکی از نوآوری های اساسی این پژوهش بهبود ویژگی های سطحی نانوذرات است. پس از کلسینه سازی، این نانوکره ها به دلیل عدم وجود گروه های هیدروکسیل، پخش پذیری ضعیفی در آب داشتند. برای رفع این مشکل، محققان راهبرد اچینگ ملایمی را در دمای ۹۵ درجه سانتی گراد و در محیط قلیایی با pH=۱۲ به کار بردند که این امر باعث افزایش بار سطحی نانوذرات از ۱۲٫۲۵ به ۳۴٫۷۶ میلی ولت و بهبود چشمگیر پایداری آن ها در آب گردید.
این تیم تحقیقاتی موفق به تولید نانوپیگمنت هایی در شش رنگ مختلف شامل سرخابی، بنفش، آبی، فیروزه ای، سبز و نارنجی گردید. این رنگ ها دارای بازتاب های نوری مشخص در محدوده ۴۶۸ تا ۶۲۸ نانومتر هستند که توانمندی بالای این سیستم را در گستره نور مرئی نشان می دهند.
فرآیند رنگرزی پیشنهادی به سادگی و کارآیی قابل اجراست. محققان نانوپیگمنت ها را با استفاده از امولسیون اکریلیک بر پایه آب، اسید تانیک و مقدار اندکی کربن سیاه ترکیب کردند. پارچه پنبه ای پس از غوطه ور شدن در این محلول و خشک شدن در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد، رنگ ساختاری یکنواخت و درخشانی در هر دو طرف خود به دست آورد.
این روش نه تنها باعث بهبود دوام رنگ رنگی شده، بلکه همچنین قابلیت تنفس و نرمی پارچه را حفظ کرده است. آزمایش ها نشان می دهند که پارچه های رنگ شده با این روش حتی پس از ۵۰ بار شست وشو، غوطه وری در آب و تحت کشش های شدید، رنگ خود را حفظ می کنند.