Colori strutturali, le farfalle blu ci insegnano a colorare in modo sostenibile

La start-up Cypris Materials si ispira alle farfalle blu e sfrutta il potere di trasformazione dei colori strutturali. Ancora una volta è la natura stessa a suggerirci come non disturbarla.

Cypris Materials

Nata a Berkeley (California) nel 2010 da Matt Ryan e Ryan Pearson, in collaborazione con il premio Nobel Robert Grubbs, questa start-up sviluppa rivestimenti per migliorare l’efficienza energetica degli edifici. Tuttavia, nell’ultimo decennio si è focalizzata sul progettare colori strutturali, applicabili direttamente come una vernice. Questa tecnologia si basa sulla capacità dei loro materiali di riflettere la luce UV, visibile e infrarossa, ottenendo così un’ampia gamma di colori senza usare pigmenti né coloranti. Fino ad oggi, purtroppo i rivestimenti e i colori sostenibili sono stati limitati da diversi fattori, come l’estetica e la difficoltà di applicazione, ma la Cypris Materials potrebbe aver trovato una soluzione bella, pratica e sostenibile per l’ambiente.

I colori strutturali

In genere, per colorare un materiale si usano coloranti e pigmenti. Essi assorbono parte della luce e riflettono un determinato colore. Ad esempio, percepiamo le foglie verdi, perché esse assorbono tutti i colori tranne il verde. Sebbene i colori dello spettro solare siano solo sette, noi ne vediamo molti di più, perché si riflettono insieme rendendo visibili le sfumature cromatiche. I colori strutturali sfruttano altri due fenomeni luminosi: la diffrazione e l’interferenza. Essi sono composti da strutture microscopiche regolari, che interferiscono con il riflesso della luce visibile,  producendo una colorazione detta strutturata. In genere, i colori strutturali producono tonalità iridescenti, quindi tonalità variabili a seconda dell’angolo di osservazione. Un esempio pratico? Le bolle di sapone.

I colori degli animali

Nel regno animale le colorazioni del pelo, delle penne e delle scaglie dei vertebrati sono dovute alla presenza di cromatofori (anfibi, pesci e rettili) e melanociti (uccelli e mammiferi). Si tratta di cellule specializzate presenti nel derma e ricche di pigmento, che conferiscono il colore. Si conoscono diversi tipi di cromatofori (rossi, gialli, verdi) che, combinati insieme, creano le sfumature visibili tra gli animali. Tuttavia, in natura non esiste il pigmento blu né lo si estrae dalla combinazione di altri colori, eppure noi lo vediamo. Quindi? L’arcano ce lo svela la fisica.

La fisica del colore blu

Il blu rientra nella categoria dei colori strutturali. Infatti, interagendo con le nanostrutture ordinate, la luce incidente viene scomposta in onde riflesse, che interferiscono tra loro, manifestando la caratteristica colorazione iridescente. Infatti, gli animali blu  non hanno una colorazione netta, ma di tonalità variabile a seconda del movimento. Basti pensare ai pavoni blu (Pavo cristatus), al pesce chirurgo (Paracanthurus hepatus) e alla farfalla morfo blu (Morpho menelaus), tutti animali caratterizzati da una colorazione blu iridescente. Questi fenomeni luminosi avvengono negli iridofori, ovvero in cellule specializzate prive di pigmento e organizzate in lamelle capaci di separare la luce.

L’eccezione che conferma la regola

In realtà, esistono solo due specie di pesci che possiedono pigmenti bluastri: i pesci mandarino (Synchiropus splendidus) e il pesce psichedelico (Synchiropus picturatus). Essi possiedono nei cromatofori degli organelli blu pigmentari, che generano il colore senza interferenza, quindi con l’assorbimento. Tali strutture si chiamano cianofori e hanno le stesse proprietà fisiologiche dei cromatofori. Tuttavia, la natura chimica del pigmento blu rimane ancora oggi poco chiara.

Imitare le farfalle blu

Le ali della farfalla morfo presentano minuscole creste con nervature incrociate. Esse rifrangono specifiche lunghezze d’onda producendo il colore blu brillante. Infatti, le nanostrutture non assorbono/riflettono la luce, ma la diffrangono creando interferenze. In particolare, le nervature trasversali esterne alle creste diffrangono le onde in arrivo, che si diffondono poi negli spazi interstiziali, mentre le onde diffratte interferiscono tra loro, dando il colore blu. L’intensità del colore è variabile, ma rimane uniforme per un’ampia gamma di angolazioni. Infatti, la variabilità dipende dall’altezza delle creste, che influenza l’interferenza.

L’obiettivo della Cypris Materials

Rendere i colori strutturali indipendenti dall’angolo era un obiettivo della ricerca già da tempo, soprattutto per il grande potenziale di applicazione nel settore industriale. Ad oggi, infatti, poter colorare solo con tonalità iridescenti non è certo competitivo per il mercato. Magari potrebbe essere interessato il proprietario di un parco divertimenti, ma una casa in stile “Alice nel paese delle meraviglie” probabilmente non riscontrerebbe lo stesso successo. Invece, Cypris Materials è riuscita nel suo obiettivo, creando coloranti strutturali con copolimeri a blocchi autoassemblanti. Questi colori non sono soggetti a iridescenza, ma ne sfruttano il meccanismo fisico.

Il meccanismo di colorazione

I copolimeri (catene di molecole) a blocchi sono composti da ripetizioni di sequenze monomeriche alternate (es. AA-BB), che, in questo contesto, sono rappresentate da due tipologie di plastiche: poliacrilati e poliesteri. Durante il processo di essiccazione i polimeri nella vernice si dispongono in nanostrutture ordinate, che riflettono specifiche lunghezze d’onda. Questo processo è detto autoassemblaggio, mentre la lunghezza d’onda riflessa dipende dalla dimensione dei polimeri (nelle farfalle dall’altezza delle creste). In genere, le catene corte rifrangono lunghezze minori (UV, blu e verdi), invece quelle lunghe rifrangono lunghezze d’onda maggiori (arancione, rosso e vicino all’infrarosso).

Due grandi vittorie

Le potenzialità dei copolimeri erano già note, ma Cypris Materials è riuscita a superare due grandi limiti: permettere l’autoassemblaggio in condizioni ambientali normali e formare catene molto lunghe. Infatti, come afferma il premio Nobel Robert Grubbs “produrre colori come il rosso non era riuscito a farlo ancora nessuno, siamo andati molto più in là di quanto pensassi fosse possibile”. Ottenere il rosso puro è molto difficile perché viene contaminato dalla componente blu, dando un colore violaceo. Questo perché le particelle tendono a retrodiffondere la luce di più nel blu distruggendo il rosso.

Potenziali applicazioni dei colori strutturali

I colori Cypris Materials possono essere impiegati in diversi settori, dalla cosmesi all’elettronica e al packaging. Disponibili in polvere, si applicano come la vernice tradizionale tramite pistole a spruzzo o bombolette aerosol o stampanti. In pratica, con i colori strutturali si possono verniciare tanto le automobili quanto gli smalti per le unghie. Inoltre, la grande versatilità della piattaforma di rivestimento consente di personalizzare i colori, così da soddisfare le esigenze di ogni singolo cliente.

Colore e sostenibilità

I colori strutturali della Cypris Materials non contengono né i classici additivi né i pigmenti di sintesi, tutte sostanze molto inquinanti. Per queste ragioni ì coloranti strutturali rispettano l’ambiente e sono altamente sostenibili. Insomma, il nuovo paradigma del colore “semplifica la verniciatura ed elimina il problema degli additivi extra, che hanno da sempre un forte impatto sull’ambiente”.

Possibili limiti, nuove sfide

Non mancano ancora alcuni ostacoli da superare, ma il team è fiducioso negli ultimi risultati. Non è ancora chiaro quanto possa costare l’intero processo di produzione e, di conseguenza, se i colori strutturali possano essere competitivi sul mercato. A tal proposito, sarebbero opportuni degli incentivi per chi investe nel settore, ponendo prima l’ambiente e poi l’estetica. Infine, in virtù della trasparenza, mancano ancora degli accertamenti che confermino definitivamente la sicurezza di questi coloranti.

“La misura dell’intelligenza è data dalla capacità di cambiare quando è necessario

Secondo la più accreditata teoria sull’evoluzione del colore blu, in natura gli animali hanno trovato più conveniente cambiare il proprio corpo piuttosto che riscrivere le regole della chimica. La Cypris Materials potrebbe rivoluzionare il settore industriale, ma la scienza da sola non basta. Noi, oggi, possiamo e dobbiamo fare di più. Le farfalle ci hanno insegnato a colorare, ora bisogna imparare a volare oltre il limite mentale delle scelte più comode.

Carolina Salomoni

 

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