蝴蝶的灿烂蓝翼导致更少的有毒涂料
长期以来，蝶形蝶翅膀充满活力的蓝色调不仅吸引着鳞翅目昆虫学家，也吸引着化学家。后者的兴趣来自于机翼内部分层的复杂纳米级蛋白质结构：它们的形状像棱柱，反映出令人惊叹的蔚蓝颜色。材料科学家希望最终利用这些结构的特性来制造诸如油漆和化妆品之类的产品，而不会使用可能对人体健康和环境有害的染料和颜料。
弄清楚如何以可承受的价格将这种“结构色”概念应用到广泛的产品中是很棘手的。但是现在，位于加利福尼亚伯克利的一家初创企业名为Cypris Materials的化学家表示，他们正在寻求这样做的途径。他们说，他们不使用染料或颜料，而是开发了可以在电磁波谱的紫外线，可见光和近红外区域产生色相的着色剂，并可以用于从汽车涂料到印刷油墨和指甲油的应用。 “他们在急需创新的领域取得了进步，看起来他们已经从实验室跃升为现实世界。 Zymergen公司杰出研究员，绿色化学先驱约翰·华纳说，这真令人印象深刻。他没有参与Cypris Materials的工作。
传统的颜料和染料已经使用了数百年，以为织物和油漆增色，并用于其他日常应用。它们通过吸收或反射光的方式赋予各种色调。例如，衬衫中的红色染料包含称为发色团的分子成分，该分子吸收除红色以外的所有颜色的光的波长-因此我们看到的是红色。但是其中涉及的某些化学物质（例如偶氮染料）含有与癌症和其他有害作用有关的物质。许多国家已经禁止了它们。
但是，结构颜色来自微观结构，这些微观结构的形状各异，以不同的方式反射或折射光。例如，蝶蝶翅膀上的微小鳞片被微细的山脊所覆盖，这些山脊上有交叉的肋骨，有点像枞树的轮廓。这些构造折射特定的光波长以产生亮蓝色。其他结构也会产生类似的效果：例如，螺旋排列的纤维素超细纤维会使大理石浆果闪闪发亮，并带有蓝色的金属光泽。科学家们仍在研究结构颜色在自然界表现的方式的细节。但是他们已经知道，结构中特征的大小和体积以及材料本身是决定光从该结构反射的方式以及产生何种颜色的主要因素。
Cypris Materials使用所谓的自组装嵌段共聚物来创建基于结构的着色剂。它们是分子的长链，在这种情况下，它们将两种不同类型的常用塑料（例如聚丙烯酸酯或聚酯）缝合在一起。当配制成油漆或油墨并涂在表面上时，这些共聚物会将它们自身排列成整齐有序的分层结构，使光折射。要了解其工作原理，请想象一下半黄色和半绿色的橡皮小虫，每种颜色代表不同的塑料。如果安排一大袋这些蠕虫，使每个软糖的黄色和绿色部分仅接触到其他胶基糖的相同颜色的一半，它们就会形成多层结构。 Cypris的共聚物放在溶液中时会自行完成，聚合物链的长度决定了反射光的波长。较短的共聚物链折射较短波长的光：紫外线，蓝色和绿色。较长的链折射光谱中橙色，红色和近红外部分的较长波长。
自组装共聚物并不是什么新鲜事物，但该公司表示已经取得了两个关键进展：其材料在日常环境条件下（例如在涂漆时）会自组装，并且可以形成更长的链条，以反射长波长的光。加州理工学院诺贝尔化学奖得主，该公司联合创始人罗伯特·格鲁布斯（Robert Grubbs）说：“能够将其变成红色，没有人能够做到这种”的结构色。担任顾问的人。 “他们比我想像的要远得多。”
新的着色剂呈粉末状，Cypris Materials表示可以将其掺入制造过程中，例如添加到汽车喷枪中的油漆中，或掺入指甲油中。着色剂还像粘合剂，化学药品一样起作用，在涂料在表面干燥时，添加这些化学试剂可以将颜料和染料保持在溶液中。该公司的联合创始人兼代理首席执行官Ryan Pearson说：“我们正在简化涂料。”传统上，“人们需要添加颜料。他们还需要添加额外的添加剂来稳定涂料。我们不仅消除了对色素和染料的需求，而且消除了对其周围所有物质进行稳定化的需求。”
经常添加到油漆中以帮助稳定颜料的其他化学品包括表面活性剂。新的着色剂是否将使这些化学物质变得不必要，还有待观察，但是“如果它们能够替代表面活性剂或在不使用烷基酚的情况下进行配制（广泛用于涂料中以防止分离的化学物质），那肯定是一个积极的发展我们认为，”健康建筑网络（Healthy Building Network）首席研究官Teresa McGrath说，该组织是一家非营利组织，致力于促进可持续性和低毒性材料的使用，并且与Cypris Materials无关。
这种新方法与其他结构色彩应用形成对比，例如用于创建可应用于窗户的薄膜以改善隔热效果并节省能源的那些。该技术涉及创建和组合许多层薄膜，以实现反射红外光的结构。但是这些膜只能应用于某些表面，这使得新的结构色彩技术可能更加通用。
初创公司的着色剂仍然有克服的障碍和可能的限制。例如，它们可能无法与某些颜料（例如二氧化钛）在价格上竞争。该公司还仍然需要对其共聚物和制造工艺进行全面分析，以确认其着色剂确实比传统的染料和颜料更安全，更环保。华纳说：“这不会是完美的。”但是“卓越的敌人就是完美。科学通过这些步骤向前迈进。”