Un ricercatore chimico dell'Università Statale dell'Oregon, che ha fatto la storia un decennio fa con la scoperta accidentale del primo nuovo pigmento inorganico blu in oltre due secoli, sta di nuovo portando avanti la scienza del colore. Analizzando la struttura cristallina dei pigmenti a base di hibonite, un minerale presente nei meteoriti, Mas Subramanian dell'OSU College of Science ha spianato la strada alla progettazione di un maggior numero di pigmenti stabili, resistenti e non tossici, con tonalità vivide.
I risultati dello studio, supportati dalla National Science Foundation, sono stati pubblicati sulla rivista American Chemical Society, ACS Omega.
Subramanian e il suo team hanno scoperto YInMn Blue nel 2009 durante la sperimentazione di nuovi materiali che potevano essere utilizzati in applicazioni elettroniche.
"Abbiamo avuto fortuna la prima volta con YInMn Blue e ora abbiamo escogitato alcuni principi di progettazione," ha affermato Subramanian.
Durante gran parte della storia umana, persone di tutto il mondo hanno cercato composti inorganici che potessero essere usati per dipingere oggetti di blu, spesso con scarso successo. La maggior parte ha avuto problemi ambientali o di durata.
"La maggior parte dei pigmenti viene scoperta per caso", ha affermato Subramanian. "Questo perché l'origine del colore di un materiale dipende non solo dalla composizione chimica, ma anche dalla complessa disposizione degli atomi nella struttura cristallina. Quindi qualcuno deve prima creare il materiale e studiare a fondo la sua struttura cristallina per spiegare il colore".
Prima del YInMn Blue, l'ultima scoperta di un colore blu è stata il blu cobalto a base di ossido di alluminio, sintetizzato da un chimico francese nel 1802. Il blu cobalto rimane un pigmento commerciale dominante per via della sua intensità di colore, facilità di sintesi e ampia applicabilità.
La sua produzione tuttavia richiede una quantità significativa di ione cobalto, Co2+, che è pericoloso sia per l'uomo che per l'ambiente.
Analizzando la struttura dei pigmenti blu a base di hibonite, Subramanian ha sviluppato un modo per abbinare o superare la vivacità del blu cobalto utilizzando al contempo una quantità significativamente inferiore del dannoso ione cancerogeno del cobalto o sostituendolo completamente.
I pigmenti a base di hibonite sono termicamente più stabili del blu cobalto, a causa della loro temperatura di preparazione più elevata, e rimangono inalterati strutturalmente e otticamente all'esposizione a acidi e alcali forti.
I ricercatori riferiscono che un ossido contenente calcio, alluminio, titanio insieme a cobalto o nichel può cristallizzare in una struttura simile all'hibonite che consente una serie di colori blu.
Rispetto al tradizionale blu cobalto, il nuovo blu può essere "messo a punto" regolando la quantità di cobalto (Co2+), nichel (Ni2+) e titanio (Ti4+) collocati nei tre possibili ambienti "cromofori" della struttura di hibonite; sono quelle le parti di una molecola che determinano il colore riflettendo alcune lunghezze d'onda della luce mentre ne assorbono altre.
Questo studio mostra la presenza di cromofori in un "ambiente cristallino trigonale a forma bipiramidale" —essenzialmente costituito da due piramidi a base triangolare unite da base a base — che è fondamentale per il miglioramento del colore.
"Questa parte della struttura cristallina dell'hibonite, come il blu YInMn, consente di ottenere colori blu vivaci con una tonalità rossastra", ha affermato Subramanian. "Il blu hibonite mostra migliori proprietà di risparmio energetico e di riflessione del calore rispetto al tradizionale blu cobalto grazie alla presenza di titanio e al minor contenuto di cobalto".
"In natura, l'hibonite si trova solo nei meteoriti che sono stati sottoposti a migliaia di gradi di temperatura durante l'attraversamento dell'atmosfera terrestre, quindi ha senso che la struttura sia notevolmente stabile", ha aggiunto. "Queste tipologie di strutture minerali sono probabilmente il futuro per la progettazione di pigmenti inorganici resistenti e sicuri".
Determinare gli ingredienti strutturali chiave necessari per rendere i colori vivaci dovrebbe consentire tempi più brevi tra le scoperte di pigmenti, ha affermato Subramanian, aggiungendo che la scienza non segue sempre un percorso prestabilito: "La ricerca è come partire per un viaggio per vedere qualcosa che una volta arrivati a destinazione, pare non essere più così interessante come si pensava; è invece ciò che è stato visto lungo la strada che risulta essere più interessante di quanto si pensasse."