Hiili, jos mikä, on väriltään mustaa. Näin voisi luulla, mutta Aalto-yliopiston uusi tutkimus kumoaa oletuksen.
”Mustana pitämämme hiili voikin näyttää läpinäkyvältä – tai miltä tahansa sateenkaaren väriltä”, sanoo professori Esko I. Kauppinen.
Asia selvisi, kun tutkijat onnistuivat rakentamaan hiilinanoputkien värikartan, joka kattaa peräti 466 eri sävyä.
Advanced Materials -lehden julkaisemaan tutkimukseen osallistuivat myös yhdysvaltalainen Ricen yliopisto sekä Pekingin yliopisto Kiinasta.
Imeytymättömät aallonpituudet heijastuvat väreinä
Hiilinanoputket ovat yhden atomikerroksen paksuisia rullattuja grafeeniverkkoja. Putket näyttävät tavallisesti mustilta, mikä johtuu siitä, että valo on imeytynyt hiiliverkkoon kokonaan.
Jos valosta kuitenkin absorboituu vain puolet, putki näyttääkin kirkkaalta.
Värit taas ovat seurausta siitä, että putken atomirakenteen vuoksi putkien muodostamaan ohutkalvoon imeytyvät vain tietyt valon aallonpituudet.
”Ne, jotka eivät absorboidu, heijastuvat nähtävinä väreinä”, Kauppinen kertoo.
Se, millainen putken atomirakenne on, riippuu grafeeniverkon rullaussuunnasta ja putken halkaisijasta. Myös ohutkalvon paksuus vaikuttaa valon absorboitumiseen.
Grafeeniverkon rullaussuunta ja putken halkaisija vaikuttavat atomirakenteeseen ja valon absorboitumiseen. Tutkijat pystyivät ennustamaan 466 värin kartan. Kuva: Nan Wei, Aalto-yliopisto
Kaikkiaan 466 värin kartta syntyy eri putkien yhdistelmistä. Ohuimmat ja värikkäimmät putket vaikuttavat näkyvään väriin enemmän kuin halkaisijaltaan suuremmat ja haaleamman väriset putket.
Malli ennustaa lopputuloksen tarkasti
Esko Kauppisen ryhmä on jo aiemmin valmistanut nanoputkia, joiden ohutkalvoista tuli vihreitä, ruskeita ja hopeanharmaita.
Esimerkiksi vihreä syntyy yhdistelemällä atomirakenteeltaan erilaisia putkia, joilla kaikilla on oma värinsä.
Ricen yliopiston tutkijat onnistuivat tuoreessa tutkimuksessa erottamaan ohutkalvosta myös yksittäisen nanoputkirakenteen.
Aallon ja Pekingin yliopiston tutkijat laskivat yhdessä kunkin putkirakenteen absorption ja tätä kautta ohutkalvon näkyvän värin.
Sitten he todensivat ohutkalvon värinmuodostuksen kokeellisesti. Kokeissa syntynyt väri vastasi melko tarkasti ennustetta, jonka malli oli antanut.
Käyttöä kännykässä ja aurinkokennoissa
Nanoputket kasvatetaan raudan ja hiilen aerosoleista kaasun muodossa yli 850-asteiseksi kuumenevassa kasvatusreaktorissa.
Putkien kasvua säädellään reaktoriin lisättävän hiilidioksidin avulla. Tuore tutkimus osoitti, että yksiseinäiset putket voivat olla minkä värisiä tahansa.
Värillinen ohutkalvo on taipuisaa ja venyvää, ja siitä voi olla hyötyä värillisissä elektroniikkarakenteissa ja aurinkokennoissa.
”Näytön väriä voisi säätää kosketusanturilla vaikkapa kännykässä, muissa kosketusnäytöissä tai ikkunalasin päällä”, Kauppinen kuvailee.
