Inkt, potloden, verf en krijt danken hun kleur aan pigment. Maar de natuur heeft nog een manier om de wereld kleur te geven: microscopische structuren. Japanse onderzoekers hebben dit nagebootst door de vezelstructuren van kunststoffen aan te passen. Zo maakten ze minuscule versies van beroemde schilderijen.

Door heel nauwkeurig de vorming vezeltjes te sturen, konden de onderzoekers sturen hoe het licht erop reflecteert en dus welke kleur je ziet. Met deze techniek maken ze afbeeldingen met een resolutie van 14.000 dpi (punten per inch), zoals mini-schilderijtjes.

'Koudwaterkoraalriffen zijn de regenwouden van de oceaan'
LEES OOK
'Koudwaterkoraalriffen zijn de regenwouden van de oceaan'

Hun versie van ‘Meisje met de parel’ van zeventiende-eeuwse Hollandse meester Johannes Vermeer is slechts drie bij drie millimeter groot en wat flets, maar duidelijk herkenbaar.

Weerkaatsende structuren

Pigment dankt zijn kleur aan absorptie- en reflectie-eigenschappen van diens moleculen. De moleculen in rood pigment absorberen bijvoorbeeld bijna alle kleuren licht. Ze reflecteren alleen het rode licht.

Een andere manier om ergens kleur aan te geven is door de fysieke structuur van een materiaal zo aan te passen dat bepaalde kleuren licht erdoorheen bewegen terwijl andere gereflecteerd worden. Deze kleuring zonder pigment, genaamd structurele kleur, komt veel voor in de natuur. Het zorgt bijvoorbeeld voor de schitterende kleuren van pauwenveren en vlindervleugels.

De Japanse onderzoekers hebben een manier gevonden om op submillimeterschaal structuren te veranderen in kunststof om het materiaal verschillende kleuren te geven.

‘Als er spanning op polymeren komt te staan, ‘rekken’ ze uit op moleculair niveau’, zegt hoogleraar Easan Sivaniah van de universiteit van Kyoto. ‘Ze ondergaan een proces dat crazing (‘craqueleren’) wordt genoemd. Daarbij vormen ze kleine, dunne vezels genaamd fibrillen.’ De gevolgen van crazing zijn bijvoorbeeld zichtbaar als verveelde schoolkinderen herhaaldelijk een transparante liniaal buigen. Op een bepaald moment begint het uitgerekte plastic te vertroebelen en krijgt het een ondoorzichtig witte kleur.

Als de fibrillen een andere structuur vormen, kaatsen ze een andere kleur licht terug. Zo reflecteert de ene fibrilstructuur geel licht en een andere blauw.

Door met licht op kunststof te schijnen en er een oplosmiddel aan toe te voegen konden de onderzoekers de structuur aanpassen. Bron: Masateru M. Ito, et al., Kyoto University iCeMS.

Breukjes en holtes

De onderzoekers maken de minuscule schilderijtjes van dunne laagjes polymeer, zoals de kunststoffen polystyreen of polycarbonaat. Eerst schijnen ze daar een zogeheten staande-golflichtbundel op. Die zorgt ervoor dat polymeerketens op bepaalde plekken in het materiaal onderling verbonden raken. Zo ontstaan er laagjes van verbonden polymeerketens. Dan voegen ze een zwak oplosmiddel toe, waardoor er kleine breukjes en holtes ontstaan.

Zo ontstaan er microscopisch kleine fibrillen die samen een vezelachtige structuur vormen. Door de golflengte van de staande-golflichtbundel te veranderen, verandert de vezelstructuur die ontstaat. Een andere structuur kaatst een andere kleur licht terug. Zo creëren de onderzoekers een palet aan vezelstructuren om verschillende kleuren te maken.

Door op verschillende plekken op de kunststof met verschillende staande-golflichtbundels te beschijnen creëerden ze vormen.

Watermerk

Naast een miniatuurmuseum denken de onderzoekers ook aan andere toepassingen. Omdat de techniek geschikt is voor dunne laagjes, flexibele materialen, zou het gebruikt kunnen worden om verpakkingsmaterialen, medicijnen of zelfs bankbiljetten van een watermerk te voorzien.

Meisje met de parel van een paar millimeter groot, gemaakt zonder pigment/inkt. Bron: Kyoto University iCeMS.