Hi-Tech

В поисках красного пигмента стоимостью сотни миллионов долларов

Субраманьян, профессор материаловедения в университете штата Орегон в Корваллисе, занимается исследованием пигментов уже девять лет, хотя раньше, как и многие коллеги, считал, что эта область химии не относится к передовой.

В 2009 году он создал новый пигмент — вещество, способное передавать цвет другому материалу. Субраманьян стал известным после случайного изобретения. YInMn — первый пигмент синего цвета, созданный за последние 200 лет. YInMn Blue — это смесь иттрия (Y), индия (In) и марганца (Mn).

Профессор Субраманьян в лаборатории. Фотограф: Иан Аллен для Bloomberg Businessweek

Добавив медь, можно получить зелёный цвет; железо — оранжевый. Дело не только в экзотичности цвета, но также и в оттенках, которые можно создать на основе этого пигмента. Однако красный цвет получить пока что не удалось.

Пигмент красный 254 (известный также как «красный Ferrari»), например, безопасен и популярен, но он создан на основе углерода, поэтому выцветает на солнце и при дожде. На сегодня существует более чем 200 натуральных и синтетических пигментов красного цвета, но у всех них есть проблемы с безопасностью, устойчивостью, насыщенностью, непрозрачностью.

Однако он недостаточно яркий. Есть устойчивый, нетоксичный и долговечный пигмент красного цвета: он использовался в рисунках, найденных в пещерах палеолита.

Например, наиболее коммерчески успешный пигмент синего цвета — фталоцианин — используется при производстве теней для век, гелей для волос и даже вагонов британских поездов. Новый пигмент может стать источником дохода, ежегодно исчисляемого миллионами долларов, для разных индустрий: от производства пластика до косметики и автомобилестроения.

Пигмент должны одобрить разные инстанции, его нужно поставить на производство — и только после этого он сможет выйти на рынок. Однако YInMn ещё не принёс своему создателю богатства. А пока что Субраманьян ищет производное соединение от YInMn, которое поможет создать новый пигмент красного цвета и заменит «красный Ferrari», приносящий доход в $300 млн в год.

Порошок YInMn. Фотограф: Иан Аллен для Bloomberg Businessweek

Современные компьютеры могут отображать около 16,8 млн цветов, намного больше, чем может различить человеческий глаз или напечатать принтер. Цвета — это зрительное ощущение света, который преломляется, рассеивается или отражается от атомов объекта. Однако проблема в том, что не каждый пигмент подойдёт для всех материалов. Чтобы цифровой или воображаемый цвет стал осязаемым, нужен пигмент.

Например, диоксид титана используется для производства двух третей современных пигментов. Этот факт накладывает ограничения на разнообразие пигментов, доступных для разных индустрий. Белизна линий на дорогах, зубной пасты и сахарной пудры на пончиках — заслуга диоксида титана. Эта индустрия оценивается приблизительно в $13,2 млрд.

В последние годы благодаря постановлениям, регулирующим здравоохранение и состояние экологии, производители вынуждены использовать более безопасные органические пигменты. Чтобы получить другие цвета, всегда приходилось использовать опасные неорганические элементы или соединения: свинец, кобальт или даже цианид. Но синий — это отдельная история. Этот ведёт к открытию новых пигментов чёрного, жёлтого, зелёного цветов.

Он и группа исследователей искали мультиферроики, материалы с электрическими и магнитными свойствами, которые можно использовать в компьютерах. Субраманьян не искал новый пигмент. Смешав разные вещества и нагрев полученную смесь, учёные получили химикат необычного синего цвета.

Например, во времена эпохи Возрождения ультрамарин мог быть дороже золота, а современный синтетический пигмент (берлинская лазурь) был открыт только в начале 18 века немецким химиком, пытавшимся создать пигмент красного цвета. Оттенки синего цвета часто встречаются в природе, но этот цвет сложно воссоздать человеку.

Новый пигмент превосходил другие пигменты синего цвета по разным показателям. Субраманьян с коллегами начали тестировать полученное соединение: они обнаружили, что оно не растворяется в кислоте, не инертно, устойчиво и нетоксично. Оказалось, что YInMn также обладает теплоотражающими свойствами.

Это исследование привлекло внимание разных компаний. Субраманьян опубликовал исследование, в котором описывал свойства YInMn, и запатентовал своё изобретение.

Её возглавляют такие гиганты, как Lanxess, BASF, Venator и Chemours. Согласно Ceresana, организации, занимающейся анализом рынков, пигменты — это индустрия, оцениваемая в $30 млрд. Спрос растёт, так как производители постепенно отказываются от пигментов, созданных на основе свинца. Высокоэффективные пигменты — наиболее насыщенные, устойчивые и долговечные — быстро развивающийся сегмент рынка.

Этот цвет используется в таких брендах, как IKEA, Ford, Walmart и Facebook. Безопасный, прочный, экологичный синий цвет должен быть невероятно прибыльным. Синий цвет повсюду.

Смесь иттрия, индия и марганца. Фотограф: Иан Аллен для Bloomberg Businessweek

Представители HP хотели узнать, можно ли использовать этот цвет в типографской краске. Компании, которые звонили Субраманьяну, планируют использовать YInMn для разных целей. Merck спрашивала об уходе за кожей. Chanel интересовалась его свойствами, полезными для косметики. Nike было любопытно, можно ли использовать YInMn в кожаных кроссовках для охлаждения ног.

Shepherd Color Company получила лицензию на использование патента в 2015 году. Продавцы пигментов также были заинтересованы. Shepherd быстро вышла на рынок с новым продуктом. В прошлом сентябре, спустя восемь лет после изобретения YInMn, Агентство по охране окружающей среды США одобрило продажу YInMn для производства промышленных покрытий и пластика. Однако этот рынок ограничен из-за высокой цены на YInMn, который содержит индий.

Применение YInMn в других индустриях и понижение цены возможны только после того, как исследователи найдут способ заменить индий, не уменьшая насыщенность синего цвета. Высокая цена не означает большую выручку.

Его патент — это не только пигмент синего цвета. Хотя Субраманьян не получил денег со своего патента, YInMn вдохнул в его карьеру новые силы. Настоящее изобретение Субраманьяна — кристаллическая структура материала, имеющего тригональную бипирамидальную модель атомов.

Но из экспериментов Субраманьяна видно, что структура также может поглощать (и отражать) другие цвета. Марганец придаёт веществу синеватый оттенок: в зависимости от его количества в соединении можно сделать оттенок светлее или темнее. Это открытие подобно потайной двери в шкафу.

Однако всё оказалось не так просто. Вначале исследователи думали, что уменьшение индия поможет получить пигмент красного цвета. Изменение расстояния между атомами может привести, например, к тому, что материал станет серого цвета.

В конце 1990-х годов немецкие исследовали создали один из самых многообещающих пигментов красного цвета за последние десятилетия. Новый пигмент красного цвета может стать дешевле благодаря уменьшению содержания индия или его замене другим веществом.

В состав пигмента красного цвета входит вредный для окружающей среды кадмий, который немецкие учёные постарались заменить на перовскит (редкий и, как следствие, дорогой минерал), поэтому новый пигмент так и не вышел на рынок. Однако спрос и цена различались настолько сильно, что все надежды рухнули.

Хотя красный цвет не настолько распространён, как синий, он ассоциируется с храбростью, обольщением и радостью, поэтому считается коммерчески значимым цветом во всём мире. Перед Субраманьяном стоит задача создать пигмент, не содержащий кадмий, синтетические красители и кармин, который получают из толчёных насекомых. Красные машины составляют только 8% от общего числа автомобилей, однако этот цвет преобладает в дорогих спорткарах.

Ища мультиферроики, Субраманьян нашёл новый пигмент. Что касается исследования пигментов, то сложность заключается в том, что даже после наиболее щепетильно и скрупулёзно продуманного плана невозможно предсказать, что получится в итоге. Возможно, в поисках пигмента красного цвета он найдёт новый мультиферроик.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть