일본 연구진은 색상이 바래지 않으면서 친환경적인 새로운 유형의 안료를 개발했다. 빛에 노출되거나 시간이 지남에 따라서 색은 바래진다. 그러나 이번 연구진이 개발한 안료를 사용하면 이런 문제는 없어진다. 이 안료는 마이크로미터 이하의 크기를 가진 실리콘 이산화물 입자와 카본 블랙(carbon black)으로 구성되고, 원하는 표면에 스프레이 형태로 간단하게 부착될 수 있다. 이렇게 생성된 색상은 강인하여서 사라지지 않는다.

자외선 광에 노출될 때 유기 염료는 색이 바래진다. 무기 안료는 색이 바래지지 않지만, 종종 크롬과 같은 중금속을 기반으로 하고 있다. 이와는 대조적으로, 나고야 대학(Nagoya University)과 오사카 대학(osaka university)의 연구진은 새로운 안료의 원료로서 모래의 주요 구성요소인 실리콘 이산화물을 선택했다. 마이크로미터 이하의 크기를 가진 SiO2 입자들은 사람의 눈에는 백색으로 보인다.

기존의 안료들은 가시광선의 일부를 흡수한다. 그 후에 반사된 부분들은 특정 색상을 생성시킨다. 구조색(structural color)이라고 알려진 독특한 유형의 색상은 나비의 날개와 같이 자연에서 폭넓게 발견된다. 매우 작은 입자 어레이는 파장 의존성 광 간섭, 굴절, 광 산란을 불러옴으로써 흡수 없이 색상을 가질 수 있다. 색상은 입자 크기에 의존한다.

구조색의 경우, 일반적으로 조사 각도와 관찰 각도에 따라서 색의 현시(color appearance)가 변한다. 이것은 그들의 결정격자 속의 높은 수준의 입자 정렬을 초래한다. 이것을 예방하기 위해서, 이번 연구진은 결정화가 이루어지지 않도록 노력했고, 이것은 입자들이 비결정화 상태(무정형 배열)가 되게 했다. 연구진은 메탄올 속에 실리콘 이산화물 나노입자를 분산시키고 색상을 형성하기 위해서 표면 위에 그들을 분무함으로써 이 문제를 해결했다. 메탄올은 분무 프로세스 동안에 증발하고, SiO2는 건조한 분말로서 표면 위에 내려앉는데, 이것은 무정형 입자의 매우 얇은 멤브레인을 형성한다. 이것은 결정화될 기회를 박탈시킨다. 또한 고분자 전해질(polyelectrolyte)은 콜로이드 무정형 어레이 구조를 안정화시키는데 사용될 수 있다. 입자 크기에 따라서, 연구진은 옅은 청색(230 nm)에서 옅은 핑크색(360 nm)까지의 색상 범위를 가진 멤브레인을 얻었다.

이런 무정형 구조들은 매우 옅은 색을 만들어내었다. 그러나 연구팀은 이 문제를 다음과 같은 방법으로 해결했다: 카본 블랙 입자가 추가될 때, 색상 포화(color saturation)는 상당히 증가되었다. 이렇게 되는 이유는 카본 블랙 입자들이 전체 가시광선 스펙트럼에 대한 광 산란을 감소시키기 때문이다. 이 새로운 기술은 희미한 색상의 페인트와 많은 포화 색상을 가진 강렬한 색상의 페인트도 만들 수 있게 한다. 예술 분야 이외에도, 이 안료들은 화장품과 건축용 도료와 자동차 코팅 등에 사용될 수 있을 것이다.

이 연구결과는 저널 Angewandte Chemie에 “Production of Colored Pigments with Amorphous Arrays of Black and White Colloidal Particles”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/anie.201301321).