Turun yliopiston älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä on kehittänyt uuden materiaalin, joka vaihtaa väriä lähi-infrapuna-alueella.
Davyne-nimisen materiaalin värinvaihdosta ei voi havaita paljaalla silmällä vaan ainoastaan spektrometrillä tai infrapunaherkällä kameralla.
Tässä suhteessa ainutlaatuista materiaalia voisi siten soveltaa esimerkiksi näkymättömänä turvamerkintänä.
Uutuusmateriaali on sukua hackmaniitille, luonnolliselle mineraalille, jota voidaan valmistaa myös synteettisesti ja johon turkulaistutkijat ovat perehtyneet jo pitkään.
Hackmaniitti on fotokrominen eli se vaihtaa väriään ultraviolettisäteilyn alla valkoisesta pinkkiin tai lilaan. Väri palautuu takaisin alkuperäiseksi, kun mineraali on riittävän kauan valkoisessa valossa tai kun se lämmitetään sataan celsiusasteeseen.
Tuore tutkimus on julkaistu Angewandte Chemie -lehdessä.
Sama kemiallinen kaava, eri atomirakenne
Uuden materiaalin kehitys sai alkunsa opinnäytetyöstä, jonka tekijä osoitti, että hackmaniitti muuttuu pinkin tai lilan sijasta keltaiseksi, kun siihen lisätään natriumin tilalle jonkin verran kalsiumia.
”Samalla huomattiin, että osassa materiaalinäytteistä värinvaihdosta ei voinut paljain silmin havaita, mutta vastaavia värimuutoksia tapahtui ihmissilmälle näkymättömällä lähi-infrapuna-alueella”, kertoo tutkimusryhmää johtava professori Mika Lastusaari.
Keltaiseksi muuttuva materiaali on kalsiumhackmaniittia, kun taas lähi-infrapuna-alueella aktiivinen aine on kankriniittimineraalin sukuun kuuluvaa davynea, jota tutkimuksessa muodostui synteeseissä silloin tällöin kalsiumhackmaniitin ohessa.
Kalsiumhackmaniitilla ja davynella on sama kemiallinen kaava, mutta niiden atomirakenne on erilainen.
Apuna koneoppiminen
Puhtaan davynen valmistaminen osoittautui hankalaksi, sillä materiaalin kemiallinen tasapaino näytti johtavan helpommin kalsiumhackmaniitin kuin davynen muodostumiseen.
Työ onnistui lopulta, kun avuksi otettiin materiaalitekniikan tutkijoiden kehittämät koneoppimismenetelmät.
Hackmaniitin värinvaihto johtuu tietyn ionin elektronin siirtymisestä rakenteen tyhjään klooripaikkaan. Ontelon koko vaikuttaa siihen, minkä väriseksi materiaali muuttuu.
Davynen rakenteessa taas on pitkiä tyhjiä käytäviä hackmaniitille tyypillisten kolojen sijasta. Tutkijat kykenivät kuitenkin osoittamaan, että materiaalien värinvaihtomekanismi toimii samalla tavoin.
Toimivuus testattu
Ryhmä on jo testannut davynen soveltuvuutta erilaisiin aitous- ja turvamerkintöihin.
”Tällaisia merkintöjä käytetään esimerkiksi seteleissä, passeissa ja muissa virallisissa dokumenteissa sekä monissa kuluttajatuotteissa”, Lastusaari kertoo.
Edullisesta kamerasta poistettiin kaikki suotimet niin, että jäljelle jäi vain davynelle sopivaa aallonpituutta havaitseva piisiru. Värimuutos näkyi tällöin infrapunavalon alla selvästi.
Davynen etu muihin näkymättömiin turvamerkintämateriaaleihin verrattuna on, että sen lähi-infrapuna-aktiivisuus voidaan kytkeä päälle ja pois päältä.
”Käytännössä merkintä voidaan aktivoida tunnistettavaksi tarkistusta varten ja palauttaa jälleen näkymättömäksi”, Lastusaari kuvailee.
Tutkimukseen osallistuivat myös Aalto-yliopisto, Tallinnan kemiallisen fysiikan ja biofysiikan instituutti ja Lyonin yliopisto.
Päivi Ikonen
Aiheesta aiemmin:
Synteettinen hackmaniitti paljastui radiokromiseksi materiaaliksi
Ihmekivi hackmaniitti voi vaihtaa väriä liki ikuisesti – paljon hyötykäyttöä
Turkulaistutkijoiden hackmaniitista säteilymittareita ISS-avaruusasemalle
Uudenlaisia röntgenkuvia väriä vaihtavalla luonnonkivellä
Pimeässä loistavan luonnonkiven salaisuus selvisi
Tilaa Kemiamedian uutiskirje!
Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista. Osallistut samalla arvontaan!
