Esta es la pintura más clara del mundo

Max G. Levy

Debashis Chanda tuvo problemas para encontrar un físico que supiera pintar. Los investigadores de su laboratorio de nanociencia en la Universidad de Florida Central ya habían resuelto los problemas de la maquinaria de alta gama necesaria para crear un nuevo y revolucionario tipo de pintura refrescante. Habían llenado viales con colores vivos. Pero cuando llegó el momento de mostrarlo, chocaron contra una pared. "Apenas podíamos dibujar una mariposa a mano, que es una especie de dibujo infantil", dice Chanda.

Lo hicieron de todos modos. La forma y el diseño de cuatro colores parecen básicos, pero la simplicidad engaña. Si te acercas profundamente, a dimensiones invisibles, esta pintura no se parece en nada a la pintura que conoces.

El color nos rodea en la naturaleza y lo recreamos con pigmentos. Puede pensar en los pigmentos como minerales pulverizados, metales pesados ​​o productos químicos que mezclamos con aceite y esparcimos sobre una lona o un automóvil: el cobalto se vuelve azul; rojo ocre; amarillo cadmio. "Pero la naturaleza tiene una forma muy diferente de crear color que nosotros", dice Chanda. Algunos de los looks más vívidos de la naturaleza, como los que lucen los pavos reales, los escarabajos y las mariposas, funcionan sin pigmentos.

Esos colores provienen de la topografía. Los paisajes submicroscópicos en las superficies exteriores de las plumas de pavo real, los caparazones de los escarabajos y las alas de las mariposas difractan la luz para producir lo que se conoce como color estructural. Es más duradero y no contiene pigmentos. Y para los científicos, es la clave para crear pintura que no sólo sea mejor para el planeta sino que también podría ayudarnos a vivir en un mundo más cálido.

En un artículo publicado este mes en Science Advances, el laboratorio de Chanda demostró una pintura, la primera de su tipo, basada en color estructural. Creen que es la pintura más ligera del mundo, y lo dicen en serio tanto en términos de peso como de temperatura. La pintura consta de diminutas hojuelas de aluminio salpicadas de nanopartículas de aluminio aún más pequeñas. El equivalente a una pasa podría cubrir tanto la parte delantera como la trasera de una puerta. Es lo suficientemente liviano como para reducir potencialmente el consumo de combustible en aviones y automóviles que están recubiertos con él. No atrapa el calor de la luz solar como lo hacen los pigmentos y sus componentes son menos tóxicos que las pinturas elaboradas con metales pesados ​​como el cadmio y el cobalto.

Andy Greenberg

Ngofeen Mputubwele

Julian Chokkattu

Matt Simón

A Dayna Baumeister, codirectora del Centro de Biomímesis de la Universidad Estatal de Arizona, no le sorprende que la pintura tenga tantas funciones ocultas. "Es una demostración fantástica de lo que es posible cuando repensamos nuestros diseños pidiendo consejo a la naturaleza", afirma.

A pesar de todas sus imperfecciones, la pintura es difícil de superar. La gente ha utilizado pigmentos durante milenios, por lo que los fabricantes de pinturas dominan los trucos para conseguir el aspecto adecuado. “Saben exactamente qué aditivo agregar para cambiar el brillo; pueden hacerlo más brillante o atenuarlo; todo esto lo han descubierto a lo largo de cientos de años”, dice Chanda.

Las nuevas formas de pintura deben innovar más allá de eso: en el ámbito de la física, no sólo en la estética. Aún así, los miembros del laboratorio de Chanda tropezaron con su innovación por accidente. No se habían propuesto hacer pintura. Querían hacer un espejo, específicamente un espejo de aluminio largo y continuo, construido usando un instrumento llamado evaporador de haz de electrones. Pero en cada intento, notarían pequeñas “nanoislas”, grupos de átomos de aluminio lo suficientemente pequeños como para ser invisibles pero lo suficientemente grandes como para alterar el brillo del espejo. Nanoislas aparecieron por toda la superficie de lo que ahora, frustrantemente, no era un espejo continuo. "Era realmente molesto", recuerda Chanda.

Luego vino una epifanía: esa interrupción estaba haciendo algo útil. Cuando la luz blanca ambiental incide sobre las nanopartículas de aluminio, los electrones del metal pueden excitarse: oscilan o resuenan. Pero cuando las dimensiones se sumergen en la nanoescala, los átomos se vuelven más exigentes. Dependiendo del tamaño de la nanopartícula de aluminio, sus electrones oscilarán sólo para ciertas longitudes de onda de luz. Esto hace rebotar la luz ambiental como una fracción de lo que era: un solo color. Colocar capas de partículas de aluminio sobre una superficie reflectante, como el espejo que habían estado intentando construir, había amplificado el efecto colorido.

¿Qué color? Eso depende del tamaño de las nanoislas. "Con solo cambiar la dimensión, puedes crear todos los colores", dice Chanda. A diferencia de los pigmentos, que requieren una molécula base diferente (como el cobalto o la baba de caracol púrpura) para cada color, la molécula base para este proceso es siempre el aluminio, simplemente cortado en trozos de diferentes tamaños que oscilan con la luz en diferentes longitudes de onda.

Andy Greenberg

Ngofeen Mputubwele

Julian Chokkattu

Matt Simón

Llegó el momento de hacer pintura. El proceso del grupo comienza con una lámina muy fina de espejo de doble cara. Los investigadores cubrieron cada lado con un material espaciador transparente que ayuda a amplificar el efecto del color. Luego desarrollaron islas de nanopartículas metálicas en ambos lados de la lámina. Para hacer que este material fuera compatible con los aglutinantes o aceites utilizados en la pintura, disolvieron grandes láminas del mismo en copos de colores tan finos como el azúcar en polvo. Finalmente, una vez que habían creado suficientes colores para un pequeño arcoíris, pudieron pintar una mariposa.

Debido a que el color estructural puede cubrir una superficie entera con solo una capa delgada y ultraligera, Chanda cree que esto cambiará las reglas del juego para las aerolíneas. Un Boeing 747 necesita unos 500 kilogramos de pintura. Calcula que su pintura podría cubrir la misma superficie con 1,3 kilogramos. Eso supone un ahorro de más de 1.000 libras en cada avión, lo que reduciría la cantidad de combustible que se necesita por viaje.

Perry Flint, portavoz de la Asociación Internacional de Comercio de Líneas Aéreas, considera plausible esa posibilidad. "Dado que el combustible ya es el mayor gasto operativo [alrededor del 30 por ciento el año pasado], las aerolíneas siempre están interesadas en mejorar la eficiencia del combustible", escribió en un correo electrónico a WIRED. Crear nuevas formas eficientes de fuselajes y motores es fundamental, afirma, pero reducir el peso también supone enormes ahorros. Cuando American Airlines se deshizo de sólo 67 libras de manuales de piloto por vuelo, la compañía estimó que ahorraría 400.000 galones de combustible y 1,2 millones de dólares al año. En 2021, AA introdujo una nueva pintura que redujo el peso de los 737 en 62 libras, ahorrando 300.000 galones al año.

La pintura estructural también puede durar más. (Algunas aerolíneas repintan los aviones cada cuatro años). Las moléculas de pigmento se descomponen con la luz del sol, pero el color estructural no, por lo que no se desvanece. “Tenemos todas estas formas de intentar fijar el pigmento, para intentar evitar que se oxide y pierda su color. O se desvanece y lo tiramos al vertedero”, afirma Baumeister, que también es cofundador de la consultora Biomimicry 3.8. "Pero cuando se necesita que el color dure para siempre, durante la vida del organismo, se prefiere el color estructural".

El equipo de Chanda también se dio cuenta de que, a diferencia de la pintura convencional, la pintura estructural no absorbe la radiación infrarroja, por lo que no atrapa el calor. ("Esa es la razón por la que su automóvil se calienta bajo el sol", dice). En comparación, la nueva pintura es inherentemente refrescante: según los experimentos preliminares del laboratorio, puede mantener las superficies entre 20 y 30 grados Fahrenheit más frías que la pintura convencional.

Baumeister cree que tiene usos mucho más allá de la aviación, incluso para mediar en el efecto de “isla de calor urbana”, que crea temperaturas altas, a veces incluso letales, en las ciudades. “Puedes imaginarte los coches. Puedes imaginar las aceras”, dice. "Incluso productos de construcción en los que estéticamente a la gente le gustaría un tono más oscuro, ya sea una terraza o un revestimiento, pero, por supuesto, eso aumenta la carga de calor en el edificio". (Algunos investigadores ya están experimentando con el uso de pintura para enfriar techos y pavimentos).

Y mantener los edificios frescos sin utilizar electricidad crearía una infraestructura más sostenible. "Si la temperatura exterior es de 95 grados y se puede mantener por debajo de los 80 grados, se obtienen enormes ahorros de aire acondicionado y energía", dice Chanda.

Ampliar la producción de viales a cubas será un desafío, algo que el laboratorio de Chanda espera intentar con socios comerciales. (“Un laboratorio académico todavía no es una fábrica”, dice). Basándose en su experiencia como consultora en biomímesis, Baumeister predice que las primeras aplicaciones podrían ser pequeñas: tal vez para la electrónica o dentro de la fabricación sensible al calor. Pero mantiene la esperanza de que las innovaciones bioinspiradas lleguen a escalas más grandes, como la infraestructura urbana. "El futuro de la humanidad en el planeta depende de encontrar una manera de alinearnos con la naturaleza", afirma.