Kleur kun je maken, ook zonder kleurstof

Natuurkunde Structurele inkt vormt kleuren op basis van de grootte van de druppeltjes. Daar is nu een inktjetprinter voor gemaakt.

Foto Getty images

Een kleurenportret van Isaac Newton geprint met transparante inkt. Chinese wetenschappers maakten de afbeelding door piepkleine lichtweerkaatsende bolletjes van verschillende grootte op een stuk glas te printen. Ze gebruikten daarvoor een omgebouwde standaard inkjetprinter. Het is een fundamenteel andere techniek om kleuren te printen, waarbij niet een kleurstof of pigment maar de grootte van het inktdruppeltje de kleur bepaalt.

Zulke zogeheten structurele kleuren zijn duurzamer dan kleuren van pigment of kleurstof, schreven de onderzoekers deze week in het blad Science Advances. De transparante inkt waarmee de bolletjes gemaakt worden kan makkelijk worden gerecycled en de kleuren gaan véél langer mee.

Proberen de natuur na te doen

Zulke structurele kleuren komen in de natuur veel voor, bijvoorbeeld bij pauwenveren. En bij morpho’s (die felblauwe vlinders). Zij danken hun kleur niet aan pigment, maar aan schubben op de vleugels. De microscopische structuur van de schubben weerkaatst alleen het blauwe licht.

Al een tijdje proberen wetenschappers de natuur na te doen: om structurele kleuren te printen. In plaats van met druppels pigmentinkt of chemische kleurstof, maken ze de kleuren dan door een microscopische 3D structuur (net als die op de schubben van de morpho) van verschillende materialen op een vlak oppervlakte te printen. Maar dat is niet makkelijk. Sommige structurele kleuren worden wel geprint buiten het lab, maar een gedetailleerde combinatie van verschillende tinten in één afbeelding was nog ingewikkeld om te printen met een eenvoudige inkjetprinter.

Minuscule kleurloze bolletjes

Nu vonden de Chinese wetenschappers dus een manier om dat te doen. Ze berekenden eerst welke fysieke structuren welke kleuren weerkaatsen. Met die informatie vertaalt een computer de digitale afbeelding, in het geval een portret van Isaac Newton, naar een structuur opgebouwd uit allemaal minuscule kleurloze bolletjes met verschillende diameters en vormen. Een combinatie van verschillende diameters en vormen bepaalt de kleur van een gebiedje.

Wanneer het bolletjesontwerp klaar is, stuurt de computer een omgebouwde inkjetprinter de opdracht het te printen. In die printer wordt de temperatuur ongeveer op de vijfentwintig graden Celsius gehouden om te voorkomen dat de bolletjes aan de randen verdampen. Alle bolletjes worden gemaakt met één kleurloze inkt. De printer sproeit de inkt op hydrofoob glas, zodat de druppels inkt erop samentrekken tot bolletjes. Het geprinte portret is aan de vlakke kant gekleurd en aan de andere kant (de bolletjeskant) transparant.

Fantaseren over toepassingen

„Wonderbaarlijk”, noemt Albert Schenning de studie over de telefoon. Hij is hoogleraar slimme materialen aan de Technische Universiteit Eindhoven, niet bij de studie betrokken en fantaseert al over toepassingen. „Bijvoorbeeld slimme ramen die alléén infraroodlicht weerkaatsen.” Dat is een kleur die niet met het blote oog te zien is, maar aanvoelt als warmte.

Jo Geraedts, hoogleraar aan de Technische Universiteit Delft en evenmin bij de studie betrokken, is terughoudender. Hij noemt telefonisch twee bugs die eerst nog moeten worden opgelost. „De eerste is dat het kleurenbereik van de onderzoekers beperkt is. Om meer verschillende tinten te maken, heb je kleinere bolletjes nodig. Maar met nóg kleinere bolletjes is de hoeveelheid inkt zo klein dat het wegvliegt in de lucht vóór het op het glas valt.” Het tweede probleem dat hij noemt is dat diep zwart mist in de printer van de onderzoekers. Bruinig zwart kan nog wel worden gemaakt door mengen van kleuren, „maar voor diep zwart is een aparte pigmentinkt nodig”, merkt Geraedts op.

Structurele kleuren hebben geen last van vervagen

Waarom willen de onderzoekers überhaupt met structuren printen als het al kan met pigment of kleurstof? „Ten eerste gaan structurele kleuren langer mee”, zegt Schenning. „Pigment en kleurstof vervagen op den duur. Doordat het licht absorbeert, ontleedt pigment of kleurstof en gaat het reageren met de lucht en vervaagt het. Structurele kleuren hebben daar geen last van. Zelfs de structurele kleuren van sommige fossielen zijn nog intact gebleven.”

De transparante inkt is daarnaast goed recyclebaar, zegt Schenning: „Bij een mengsel van inkt en pigment moet het pigment eerst gescheiden worden en dat is een hels karwei. Pigmentinkt wordt weggegooid en is plastic afval.” Geraedts noemt dat appels met peren vergelijken. „Het is niet zo dat de omgebouwde printer de normale printer die op papier print kan vervangen. Met papier werkt de methode van de Chinese onderzoekers niet. Papier is niet hydrofoob en de ondergrond moet goed reflecteren.”