神戸大学の研究者らは、厚さがわずか100～200ナノメートルで、広い視野角から色褪せることなく鮮やかな色を表示しながら、重量が平方メートルあたり0.002オンス（平方フィートあたり0.002オンス）未満である新しい「構造色インク」を開発した。一般的な塗料や顔料は特定の波長の光を吸収し、他の波長を反射しますが、これにより分子レベルで劣化し、退色を引き起こすことがよくあります。
一方、構造色は、ちょうど適切な間隔で配置された平行なナノ構造からの光の全スペクトルを反射し、光の特定の波長を打ち消します。蝶の羽や孔雀の羽に豪華で光沢のある色を与えているのはこの効果です。光は吸収されず、構造物に反射されるだけなので、色は褪せませんが、その効果は見る角度に大きく依存することが多く、その結果、自然界では非常に美しいものの、ほとんどの工業用色にとっては少々型破りな、まばゆいばかりの色の虹が生まれます。
神戸のチームは、構造色を作成する新しい方法を研究しました。彼らの方法では、平行なナノ構造を使用する代わりに、小さな結晶シリコン球を使用します。 「ミー共鳴」と呼ばれる現象を通じて、これらのナノスケール球体は特定の波長を他の波長よりもはるかに強く反射し、粒子サイズが変化するにつれてこれらの波長も変化します。
言い換えれば、これらの粒子のサイズを変更すると、マテリアルの色が変わります。球体は全方向に光を反射するため、虹の効果はありません。研究者らは、これらのインクを印刷できることを実証しました。ナノスフィアが密に詰め込まれているのではなく、周囲に少し空間があるときに色が最も強くなるため、少ない方が良いことは注目に値します。
「わずか100～200ナノメートルの厚さでまばらに分布したシリコンナノ粒子の層は、鮮やかな色を表示できますが、重さは1平方メートルあたり0.5グラム未満です。これにより、当社のシリコンナノスフィアは世界で最も軽いものの1つになります」と神戸の材料エンジニアの杉本博司氏はプレスリリースで述べた。
航空産業は、超軽量コーティングを最も必要としている分野の 1 つです。 SimpleFlying によると、旅客機で運ばれる塗料の重量は 272 ～ 544 キログラム (600 ～ 1,200 ポンド) であり、航空機で運ばれる塗料はすべて燃料効率に直接影響します。
「ナノスフィアをベースにしたインクを使えば、重量を10パーセント未満に減らすことができるかもしれない」と杉本氏は語った。
そのため、飛行機がどこへ行っても、消費する燃料は少し少なくなり、成人男性の乗客が 5 ～ 6 人減った場合とほぼ同じです。
さらに、通常の塗料は色褪せしやすいため、再塗装には最大 455 リットル (120 ガロン) の塗料が必要となり、20 万ドルの費用がかかります。これらの新しい構造色インクは完全に色落ちしないため、初期費用は高くなりますが、無期限に使用できるため、航空機の耐用年数全体にわたってコストを節約できます。
民間航空機は多くの場合、数十年間使用できるため、これらの極薄構造色インクが生産されるようになれば、商業的な見通しが十分に得られるでしょう。
この研究はジャーナル ACS Applied Nanomaterials に掲載され、以下のビデオでインクのデモが行われています。