Если внимательно взглянуть на известную гравюру Кацусики Хокусая «Большая волна в Канагаве», то можно заметить ослепительно белые гребни волн, снег на Фудзи и легкие облака. Однако белой краски в ней нет: яркость создаётся за счёт рассеивания света на открытых волокнах традиционной бумаги васи.
Такой эффект называется структурной белизной — когда цвет (или, в данном случае, его отсутствие) возникает не из-за пигмента, а благодаря уникальному микростроению материала. Этот же принцип можно наблюдать в природе. Морской прибой, облака, снег кажутся белыми, так как их пористая структура эффективно рассеивает видимый свет. Похожие «воздушные» структуры встречаются в растительных тканях и даже в пенистых гнездах некоторых видов лягушек: там практически только воздух, но мы видим чистую белизну, без каких-либо красителей.
Именно это природное свойство стало источником вдохновения для группы учёных под руководством профессора Исэна Сиванияха из Института интегрированных исследований клетки и материалов Киотского университета (iCeMS) для разработки технологии создания пеноматериалов, которая поможет решить сразу две значительные проблемы современного производства.
Сегодня белизна и непрозрачность упаковок, пленок и покрытий часто достигаются с помощью диоксида титана (TiO₂). Этот пигмент обеспечивает яркий белый цвет, но его безопасность вызывает вопросы: Европейский Союз уже запретил диоксид титана как добавку в пищу. Другой группой широко используемых веществ являются фторсодержащие ПФАС-соединения, благодаря которым материалы становятся водо- и жироотталкивающими. Эти «вечные химикаты» практически не разлагаются в окружающей среде и вызывают растущие экологические и медицинские опасения.
Авторы нового исследования выбрали другой подход: вместо добавления новых веществ они изменили физическую структуру самих материалов. Они создали контролируемо пористые полимеры, которые одновременно имитируют оптические свойства природных пен и водоотталкивающие поверхности листьев и лепестков. «Основная задача биомиметики — создать экологически чистые материалы, вдохновленные природой, которые по масштабу и стоимости будут сопоставимы с существующими», — подчеркивает соавтор работы, доцент Тайки Янагисима.
Технология, названная «глубокая пенофотолитография» (Deep Foam Photolithography, DFP), выглядит неожиданно простой. Сначала полимер облучается светом, который разрушает длинные макромолекулы на более мелкие фрагменты. Затем материал обрабатывается мягким растворителем: он взаимодействует с этими фрагментами, и полимер начинает разбухать. При этом внутри формируется разветвленная сеть микропор.
Одна и та же трансформация приводит к двум эффектам. В толще материала пористая структура начинает активно рассеивать свет — благодаря этому поверхность выглядит ярко‑белой без использования пигмента. А на границе с воздухом образуется очень шероховатый рельеф, который значительно увеличивает контактный угол капель и делает поверхность сильно гидрофобной, как у листа лотоса.