Turun yliopiston älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä kehitti uuden materiaalin, davynen, joka vaihtaa väriä lähi-infrapuna-alueella. Värinvaihdosta ei voi havaita paljaalla silmällä, vaan ainoastaan spektrometrillä tai infrapunaherkällä kameralla. Materiaalia voisi soveltaa esimerkiksi näkymättömänä turvamerkintänä.

Hackmaniitti on luonnollinen mineraali, jota voidaan valmistaa myös synteettisesti ja jonka ominaisuuksia ja sovelluskohteita Turun yliopiston tutkimusryhmä on tutkinut ja jatkokehittänyt jo pitkään. Hackmaniitti on fotokrominen eli se vaihtaa väriään ultraviolettisäteilyn alla valkoisesta pinkkiin tai lilaan. Väri palautuu takaisin alkuperäiseksi, kun hackmaniitti on riittävän kauan valkoisessa valossa tai kun sitä lämmitetään sataan asteeseen.

Juuri julkaistussa tutkimuksessa tutkijat kehittivät uuden hackmaniittisukuisen materiaalin, davynen, joka vaihtaa väriä lähi-infrapuna-alueella. Muutosta ei pysty silmin näkemään, vaan siihen tarvitaan spektrometri tai infrapunaherkkä kamera. Tutkimuksessa selvitettiin, mistä värinvaihto johtuu sekä testattiin mahdollisia sovelluskohteita materiaalille.

– Uuden materiaalin kehittäminen sai alkunsa tutkimusryhmässämme mukana olleen opiskelijan opinnäytetyöstä, jossa hän osoitti, että hackmaniitin värinvaihto-ominaisuus muuttuu, kun siihen lisätään natriumin tilalle jonkin verran kalsiumia. Pinkin tai lilan sijasta materiaali muuttuukin keltaiseksi. Samalla huomattiin, että osassa materiaalinäytteistä värinvaihdosta ei voinut paljain silmin havaita, mutta vastaavia värimuutoksia tapahtui ihmissilmälle näkymättömällä lähi-infrapuna-alueella, kertoo tutkimusryhmän johtaja professori Mika Lastusaari tiedotteessa.

Keltaiseksi muuttuva materiaali on kalsiumhackmaniittia, mutta lähi-infrapuna-alueella aktiivinen aine on kankriniittimineraalin sukuun kuuluvaa davynea, jota tutkimuksessa muodostui synteeseissä silloin tällöin kalsiumhackmaniitin ohessa. Kalsiumhackmaniitilla ja davynella on sama kemiallinen kaava, mutta niiden atomirakenne on erilainen.

Tutkimuksen alkuvaiheessa puhtaan davynen valmistaminen osoittautui tutkijoille hankalaksi, sillä materiaalin kemiallinen tasapaino näytti johtavan helpommin kalsiumhackmaniitin kuin davynen muodostumiseen. Tutkimusryhmä jatkoi materiaalin optimoimista ja valmistusmenetelmän kehittämistä yhteistyössä materiaalitekniikan tutkijoiden kanssa hyödyntämällä muun muassa materiaalitekniikan tutkijoiden kehittämiä koneoppimismenetelmiä. Lopulta tutkijat onnistuivat valmistamaan mahdollisimman puhdasta davynea.

– Tässä vaiheessa oli kuitenkin vielä mysteeri, miten värinvaihto selittyy. Oletimme mekanismin olevan samanlainen kuin hackmaniitilla, jossa värinvaihto johtuu tietyn ionin elektronin siirtymisestä rakenteen tyhjään klooripaikkaan, ja tämän ontelon koko vaikuttaa siihen, minkä väriseksi materiaali muuttuu. Davynen rakenne on kuitenkin erilainen, ja materiaalissa on pitkiä tyhjiä käytäviä hackmaniitille tyypillisten kolojen sijasta. Lopulta pystyimme kuitenkin osoittamaan, että davynen värinvaihtomekanismi toimii samalla tavalla kuin hackmaniitilla, Lastusaari sanoo.

Tutkijoiden mukaan kyseinen materiaali on ainoa tunnettu materiaali, joka vaihtaa väriä niin, ettei sitä voi havaita paljaalla silmällä. Materiaalin soveltuvuutta esimerkiksi erilaisiin aitous- ja turvamerkintöihin testattiin myös tutkimuksessa.

– Tällaisia merkintöjä käytetään esimerkiksi seteleissä, passeissa ja muissa virallisissa dokumenteissa sekä monissa kuluttajatuotteissa. Testasimme davynen toimivuutta edullisella kameralla, josta oli poistettu kaikki värien havaitsemiseen tarvittavat suotimet niin, että jäljelle jäävä piisiru havaitsi juuri davynelle sopivaa aallonpituutta.

Testit osoittivat, että davynen värimuutos näkyy selvästi infrapunavalon alla, kun kameran herkkyys on säädetty davynelle sopivaksi.

– Davynen etuna muihin näkymättömiin turvamerkintämateriaaleihin verrattuna on se, että davynen lähi-infrapuna-aktiivisuus voidaan kytkeä päälle ja pois päältä, eli käytännössä merkintä voidaan aktivoida tunnistettavaksi tarkistusta varten, ja palauttaa jälleen näkymättömäksi, Lastusaari kertoo.

Tutkimuksen toteutti Turun yliopiston älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä yhteistyössä Turun yliopiston materiaalitekniikan laitoksen sekä fysiikan ja tähtitieteen laitoksen kanssa. Tutkimukseen osallistuivat myös Aalto-yliopisto, Tallinnan kansallisen kemiallisen fysiikan ja biofysiikan instituutti sekä Lyonin yliopisto.

Tutkimus on julkaistu Angewandte Chemie -lehdessä.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)