Эндрю Паркер - британский зоолог, который хочет заново изобрести цвет

Эндрю Паркер создал одни из самых ярких оттенков в мире. В чём секрет этого исследователя?

Эндрю Паркер, английский изобретатель, художник и зоолог из Оксфордского университета, считает, что цвет не имеет значения. По его словам, лучшие в мире цвета получаются не из пигментов или красителей, а из материалов, организованных в кристаллические наноструктуры, которые рассеивают свет в «структурные цвета».

Структурный цвет был впервые задокументирован в 17 веке в павлиньих перьях, но только после изобретения электронного микроскопа в 1930-х годах учёные узнали, как он работает. Структурный цвет полностью отличается от пигмента.

Пигменты — это молекулы, которые поглощают свет, за исключением тех длин волн, которые соответствуют видимому цвету, которые рассеиваются. Напротив, сложные наноархитектуры структурного цвета, некоторые из которых лишь немногим больше отдельного атома, не поглощают свет, а отражают его с определённой длиной волны. Результаты яркие, часто мерцающие. Паркер более двух десятилетий работал над методом воспроизведения этих наноструктур в лаборатории, чтобы искусственно получить самые яркие цвета природы. «Самые яркие цвета, — говорит Паркер, — получаются из полностью прозрачных материалов». Он был полон решимости воспроизвести это явление.

Многие пигменты токсичны, а некоторые добываются из земли. Кроме того, создание продуктов, основанных на принципах, которые развились в природе, «помогают людям узнать немного больше о мире природы», — считает учёный.

В природе структурные цвета столь же многочисленны, как и пигменты, если не больше, собщает Матиас Колле, инженер-механик из Массачусетского технологического института. Оптические структуры в павлиньих перьях, называемые фотонными кристаллами, вызывают радужный цвет. Эти перья на самом деле пигментированы коричневым цветом — своим потрясающим оттенком они обязаны наноструктуре.

Даже синий и зелёный цвета радужной оболочки человека являются структурными. Интересный вопрос, как считает Колле, заключается в том, могут ли учёнык воссоздать эти формы: «Можете ли вы создать материальные структуры, которые природа вырастила за миллионы лет эволюции?»

В начале 1990-х Паркер был студентом художественного факультета Сиднейского университета, но проводил время в маске для дайвинга, любуясь великолепной морской жизнью. С наступлением сумерек он наблюдал, как животные, окрашенные пигментами, поблекли, а радужные волоски, скажем, омара ещё были видны. Ему было интересно, как эти живые существа делают такое. Под водой Паркер столкнулся лицом к лицу с важностью зрения в природе. Если посмотреть на водорослого морского дракона, рыбу, похожую на морского конька, которая машет своим телом, как морские водоросли. Все животные зависимы в своём поведении от органов зрения, говорит Паркер, их морфология и поведение посвящены маскировке и оставлению своего образа в глазах других животных.

Исследователь начал понимать, что это происходит со всё большим количеством животных, на которых он смотрит. Он начал понимать, что зрение лежит в основе жизни — «самое доминирующее чувство на Земле», — говорит Паркер. Паркер отложил своё искусство, чтобы сосредоточиться на науке о зрении. Получив докторскую степень по зоологии, он работал в музеях, в том числе в Национальном музее естественной истории Смитсоновского института в середине 1990-х годов, где изучал окаменелости кембрийского взрыва — событие, когда животные впервые эволюционировали из одноклеточных организмов в разнообразные и сложные формы жизни.

В палеобиологических коллекциях Смитсоновского института он обнаружил окаменелость Виваксия (Wiwaxia), причудливого колючего предка моллюска, который 520 миллионов лет назад волочился по дну океана одной ногой. В электронный микроскоп Паркер увидел, что на теле Wiwaxia имеется дифракционная решетка, то есть наноструктура, состоящая из ряда параллельных канавок, разделяющих световые волны на цветные лучи, как дно компакт-диска. Виваксия, как понял Паркер, должна была мерцать, когда ползла по тёмному дну.

Почему Wiwaxia эволюционировала, чтобы отражать структурный цвет? «Ответ, — говорит Паркер, — тот же, что и сегодня. Потому что существуют глаза». Переливчатость Виваксии, вероятно, была предупредительным сигналом для хищников. Это открытие отправило Паркера на поиски первого глаза в летописи окаменелостей — у трилобита около 520 миллионов лет назад — и в 1998 году Паркер объявил о своей «гипотезе выключателя света». Он утверждал, что эволюция зрения вызвала кембрийский взрыв.

Представление о моменте дающего свет в истории жизни не получило широкого распространения среди палеонтологов. И Паркер решил сменить стратегию. Он начал изобретать новые технологии, имитирующие естественные механизмы, которыми восхищался. В своей лаборатории биомиметики в Оксфорде он разработал способ сделать солнечные батареи на 10 процентов более эффективными, имитируя отражатель мухи возрастом 45 миллионов лет, сохранившейся в янтаре. Он открыл механизм, используемый жуками в пустыне Намиб для извлечения воды из тумана, а затем применил эту технологию для удаления конденсата в системах кондиционирования воздуха.

Однако именно цвет по-прежнему очаровывал Паркера. Он начал выращивать ярких бабочек и жуков, исследуя их под электронным микроскопом. Паркер и его команда обнаружили опаловую структуру — сложную кристаллическую структуру — у австралийского долгоносика. Казалось, что каждый жук производил на своём теле материал, похожий на драгоценный камень. Это, по мнению Паркера, может предложить новый способ синтеза опалов.

Структурные красители имеют много преимуществ перед пигментами. Нанотехнологию легко контролировать — наноструктуры можно настраивать, чтобы регулировать яркость, оттенок и углы отражения. Структурные красители являются более безопасной и устойчивой альтернативой многим пигментам, добываемым из земли, некоторые из которых, например красный и жёлтый кадмий, токсичны. В то время как пигменты часто тускнеют, структурные цвета — нет: пока наноструктура остаётся неповреждённой, один и тот же структурный цвет будет сиять бесконечно. Они также имеют тенденцию быть светлее, чем пигменты.

Хотя в лабораториях можно изготавливать структурные красители, масштабирование производства долгое время было проблемой. Также было сложно разработать структурные цвета, которые выглядели бы одинаково со всех сторон. Однако в последнее время компания Паркера Lifescaped, основанная в 2015 году при поддержке тогдашнего британского принца Чарльза, добилась впечатляющих успехов. Сначала Паркер попытался вырастить клетки бабочки-морфо, крылья которой состоят из наноструктур в форме рождественской ёлки, отражающих длины волн, соответствующие насыщенному синему цвету. Это сработало, но только один раз — клетки не могли воспроизводить цвет повторно. Затем он попытался скопировать естественную фотонную архитектуру в лаборатории, но обнаружил, что это невозможно масштабировать. Машине может потребоваться неделя, чтобы вылепить из кремния наноструктуру размером с булавочную головку.

Теперь Паркер нашёл способ производить листы того, что он называет «чистым структурным цветом», в больших количествах. Глубокие, звучные оранжевые, которые сохраняют свою интенсивность под любым углом и никогда не выцветают на солнце, синие (от фиолетового до голубого) невероятной яркости и пурпурные, похожие на плотный бархат, выпустились из фабрики в рыночном городке в английском Мидлендсе. Паркер называет их самыми яркими цветами в мире. Учёный сдержан в отношении объяснения специфики, кроме сообщения о том, что точный механизм не найден в природе. «Он отражает 100% света», — говорит Паркер. «Ярче быть не может».

Согласно патенту, Pure Structural Color состоит из нескольких чрезвычайно тонких листов непроводящего материала. Эти слои сложены вместе и отпечатаны или штампованы в виде наноразмерного рисунка стержней с изогнутыми концами. Этот рисунок рассеивает свет на цвета, которые видны со всех сторон, и различные оттенки могут быть получены путём изменения размеров рисунка. Затем листы можно использовать для покрытия предметов, как это было в 2021 году, когда Nike наклеила листы Pure Structural Color от Parker на поверхность прототипа пары синих и зелёных кроссовок Air Jordan.

Работая со швейцарской многонациональной химической компанией Clariant, Паркер также открыл способ смешивания стружек Pure Structural Color с красками. Это позволяет применять материал к объектам, таким как автомобили и самолёты, которые не могут быть покрыты Pure Structural Color в форме листа.

К Паркеру уже обратилась европейская авиакомпания, заинтересованная в замене красок на пигментной основе на части корпуса своих самолетов.

В прошлом году он выставлял картины Pure Structural Color в Kew Gardens в Лондоне, а до конца февраля этого года у него проходит новая выставка в Sage Culture Gallery в Лос-Анджелесе. С красками, содержащими стружку Pure Structural, его работы — абстрактные формы, возникающие из тёмного фона — становятся космически яркими.

Другие исследователи также добились прорыва в структурном цвете. В Кембриджском университете команда под руководством Сильвии Виньолини, химика и эксперта по биоматериалам, разработала потенциально масштабируемый способ создания структурного цвета с использованием нанокристаллов из целлюлозы. Прошлым летом Бенджамин Миллер, аспирант Колле, открыл способ производить в больших объёмах податливые материалы, которые меняют цвет при растяжении. Их можно применить для разработки сенсорных роботов и для изготовления повязок, меняющих цвет при затягивании.

Самым большим препятствием для структурного цвета является стоимость, но Паркер считает, что эта проблема решена. «Мы решили эту проблему», — говорит он, но отказывается вдаваться в подробности. «Это был тот факт, который мешал применению».

Затем Паркер надеется использовать явление, когда мотыльки переливаются золотом и серебром, для изготовления неметаллических красок, а также научиться у яркой каракатицы тому, как заставить предметы менять цвет, как хамелеоны. Паркер видит будущее, в котором структурный цвет заменит пигменты в больших масштабах, и Колле разделяет это видение.

«Я думаю, что всё возможно», — говорит Колле. «Иначе я бы не работал в этой сфере, верно?»