À la recherche d'une nouvelle couleur d'un milliard de dollars

Nous n'avons jamais eu de pigment rouge vraiment sûr, stable et brillant. Son invention pourrait commencer avec YInMn, le premier pigment bleu créé en deux siècles.

Mas Subramanyan , la plus grande étoile du monde peu connu de la recherche sur les pigments, examine un groupe de boîtes à col large contenant des poudres dans toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, sauf une. Il existe en orange, jaune, vert, bleu, bleu et violet. «Nous sommes proches de l'objectif», dit-il avec optimisme. Et indique un pot avec de la poussière rouge-brun, fumé et avec une touche rappelant le paprika. Belle couleur, mais pas celle qu'il recherche.

Pendant neuf ans de son séjour temporaire dans le monde sophistiqué des fleurs, Subramanjan, professeur de science des matériaux à l'Université de l'Oregon à Corvallis, était complètement fasciné par le monde de la chimie, que lui, comme beaucoup de ses collègues, avait auparavant considéré comme un domaine de faible technologie. Il est devenu célèbre grâce à la création accidentelle d'un nouveau pigment en 2009, une substance qui peut donner de la couleur à un autre matériau. Le bleu YInMn ( Yinmin est lu) est un mélange d'yttrium, d'oxyde d'indium et de manganèse, éléments du tableau périodique qui, une fois assemblés, donnent naissance à quelque chose d'unique. YInMn est le premier pigment bleu découvert depuis plus de 200 ans.

L'industrie des couleurs a été frappée non seulement par le pigment bleu exotique, mais aussi par d'autres teintes qu'elle est capable de délivrer. Subramanyan s'est vite rendu compte que l'ajout de cuivre pouvait produire un pigment vert. En ajoutant du fer - orange. Le zinc et le titane sont pourpres en sourdine.

En étudiant ses créations éparpillées à travers l'établi, comme si le témoignage du bingo de Willy Wonk, il fronce les sourcils. "Nous avons fait d'autres couleurs", dit-il, "mais nous n'avons pas trouvé de rouge."

Le monde n'a pas la couleur rouge parfaite. Et a toujours manqué. Nous avons interrompu avec toutes sortes d'options, de toxique à désagréable. Les gladiateurs se sont enduits le visage de vermillon, un colorant à base de mercure. Titian a dessiné avec l'aide du realgar minéral contenant de l'arsenic. La forme rouge de l'armée britannique a été créée en utilisant un colorant extrait du scarabée " cochenille mexicaine ". Pendant plusieurs décennies, les cubes rouges de Lego ont contenu du cadmium, qui s'est avéré être cancérigène.

Aujourd'hui, il existe plus de 200 pigments rouges naturels et artificiels, mais chacun a des problèmes de sécurité, de stabilité, de couleur et d'opacité. Le pigment est le rouge 254, alias «Ferrari rouge», par exemple, est populaire et sûr, mais il est à base de carbone, à cause duquel il s'assombrit sous la pluie ou la chaleur. «Il est contre-indiqué pour nous d'être au soleil», explique Narayan Handandekar, directeur du Harvard Straus Conservation and Technical Research Center, et conservateur de la collection de pigments Forbes. "La même chose est vraie pour la plupart des systèmes organiques." Un pigment rouge est stable, non toxique et éternel: l'oxyde de fer ou l'argile rougeâtre ocre rouge, qui a été trouvée dans les peintures rupestres paléolithiques. "Mais ce n'est pas aussi brillant que les gens ont besoin", explique Handekar.

Le nouveau pigment peut rapporter des centaines de millions de dollars par an, affectant toutes les catégories de produits, du plastique et des cosmétiques aux machines et à la construction. Le pigment bleu qui a le plus de succès commercial, la phtalocyanine , se trouve dans le fard à paupières, le gel capillaire et même sur les wagons de chemin de fer britanniques. Le pigment bleu Subramanyan semble être supérieur à lui, mais cela ne signifie pas qu'il a enrichi le scientifique. Ce qui a commencé sous forme de recherche scientifique a révélé toute une série de nouveaux problèmes liés à l'approbation de YInMn, sa production et son lancement sur le marché.

Ayant commencé ce processus, Subramanyan, étant plus un scientifique qu'un PDG, cherche maintenant une couleur rouge inorganique tout aussi sûre qui provient de YInMn - quelque chose qui peut laisser une Ferrari rouge, rapportant 300 millions de dollars par an, loin derrière. Mark Ryan, directeur du marketing de Shepherd Color Co., une société basée à Cincinnati, a déclaré que quiconque pouvait trouver une telle couleur rouge ne pouvait plus "aller travailler le lendemain".

Subramanyan, apprenant les promesses de Ryan, sourit. «Mais j'irais quand même travailler», dit-il. "J'aime ce que je fais."

Subramanyan a 64 ans, il est petit, un peu en surpoids et porte une moustache foncée, se penchant vers le bas aux coins de sa bouche. Il a grandi dans la ville de Chennai [ex. Madras / env. trans.], situé sur la côte sud-est de l'Inde, et sa passion pour la fabrication des objets est née de l'étude des magnifiques coquillages que la mer a jetés à terre. "Comment la nature fait-elle de telles choses?" Il s'est posé une question. Et ce n'est que bien plus tard qu'il a commencé à se poser des questions sur la façon dont les coquilles trouvent leur couleur.

Techniquement parlant, les couleurs sont la perception visuelle d'une couleur qui est réfractée et dispersée, ou réfléchie par la composition atomique d'un objet. Les ordinateurs modernes sont capables d'afficher 16,8 millions de couleurs différentes - c'est bien plus que ce que les gens peuvent voir ou imprimer des imprimantes. Pour transformer une couleur numérique ou inventée en quelque chose de tangible, un pigment est nécessaire. «Supposons que vous ayez créé une belle couleur bleue», explique Lori Presman, vice-présidente du Pantone Color Institute, qui aide les entreprises à développer des stratégies de couleur pour les marques et les produits. "Mais pouvez-vous vraiment faire cette couleur et l'appliquer sur du velours, de la soie, du coton, de la viscose ou du papier couché?"

«Ce n'est pas seulement une question de couleur», ajoute-t-elle. - Le point est la composition chimique de la couleur. Est-il possible de réaliser cette composition dans le matériau sur lequel vous souhaitez l'appliquer? »

Ces caractéristiques limitent la gamme de pigments disponibles pour l'habillement, la construction, la technologie et d'autres industries. Un seul oxyde de titane occupe près des deux tiers du marché international des pigments; il est évalué à 13,2 milliards de dollars et est responsable de la blancheur nette des lignes de marquage routier, du dentifrice et des beignets en poudre. Historiquement, la production d'autres couleurs a été associée à l'inclusion d'éléments ou de substances inorganiques dangereux - plomb, cobalt ou même cyanure. Au cours des dernières années, les règles liées à la santé et à l'environnement ont généré un virage actif vers des pigments organiques plus favorables, grâce auquel les chercheurs découvrent de nombreuses nouvelles couleurs noires, jaunes et vertes. Mais le bleu est une question complètement différente.



Subramanyan est entré dans les annales de la recherche sur les pigments, même s'il n'a pas lui-même recherché de pigments et n'a même pas mélangé des ingrédients pouvant donner lieu à une couleur particulière. Lui et ses collègues étaient impliqués dans l'électronique - en particulier les multiferroïdes , des matériaux qui étaient polarisés simultanément à la fois magnétiquement et électriquement, ce qui pourrait être utile pour créer des ordinateurs. L'yttrium ressemble à un blanc terne, l'oxyde d'indium est noir et le manganèse est jaune-jaunâtre. Andrew Smith, l'un des étudiants diplômés sous la direction de Subramanyan, les a broyés au gris, a placé le mélange sur une plaque et l'a mis au four à une température de 1200 ° C. Douze heures plus tard, un bleu profond, énergique et entêtant a été sorti du poêle. Il était si brillant, si étonnant qu'il semblait presque extraterrestre - le bleuet vénusien le plus frais, pelé, poli et brillant de l'intérieur.

"Qu'est-ce qui s'est passé?" Subramanyan a demandé quand il l'avait vu.

"J'ai fait exactement ce que tu as demandé!"

"Êtes-vous sûr d'avoir tout préparé correctement?"

"Oui."

"Essayons encore."

Subramanyan savait quelque chose sur les découvertes. Après avoir obtenu son doctorat en chimie à l'Institut indien de technologie de Madras, il a passé trois décennies à faire des recherches sur la chimie des matériaux solides à DuPont Co., étudiant essentiellement la composition de tout ce qui n'était pas liquide. Il a déposé 54 brevets, principalement liés aux supraconducteurs, aux matériaux thermoélectriques et à d'autres sujets ésotériques d'intérêt uniquement pour un cercle restreint de chimistes impliqués dans l'électronique. Rien de coloré. Mais Subramanyan s'est rendu compte que quelque chose d'intéressant s'était produit.

Il a contacté des collègues de l'Université de Californie à Santa Barbara. «Vous devez voir cela pour croire», a-t-il dit. Ils n'ont pas partagé ses délices facultatifs.


Différentes concentrations de manganèse donnent différentes nuances et densités de couleur.

«Je n'ai jamais vu cette couleur de ma vie», se souvient-il. "J'ai fait tellement d'oxydes." Les supraconducteurs sont toujours noirs, bruns, parfois jaunes. Je n'ai jamais rien fait de tel. » C'est comme s'il avait croisé des tomates avec des oignons et obtenu un melon. "J'étais constamment inquiet - est-ce réel ou je rêve?"

Le bleu est l'une des fleurs les plus courantes dans la nature, mais il s'est avéré qu'il est très difficile de créer pour une personne. Lorsque les anciens Égyptiens ont essayé de reproduire la teinte océanique profonde de l'outremer pour décorer les tombes, les papyrus et la peinture, ils ont reçu une couleur turquoise. À la Renaissance, l'outremer pouvait valoir plus que l'or, car le lapis-lazuli à partir duquel ce pigment était fabriqué était extrait dans un lointain Afghanistan. (Et pourtant, Michel-Ange a réussi à en obtenir suffisamment pour peindre le plafond de la chapelle Sixtine.) Le premier pigment synthétique moderne, le bleu de Prusse , un mélange d'hexacyanoferrates, n'a été découvert qu'au début du XVIIIe siècle par un chimiste allemand qui a essayé de créer une couleur rouge. Depuis, de nombreux pigments bleus courants (azur, minuit, aigue-marine, smalt) contiennent des traces de cobalt, probablement cancérigène.

Subramanyan et Smith ont commencé à tester leur mélange en le plongeant dans de l'acide. Ils ont apprécié le fait qu'elle ne se soit pas dissoute. YInMn s'est également révélé inerte, non terne et non toxique. Il était plus fiable que le bleu outremer et le bleu de Prusse, plus sûr que le bleu de cobalt , plus léger que le bleu de phtalocyanine, plus foncé que le bleu de Victoria. Il réfléchissait bien la chaleur, ce qui permettrait probablement à un objet enduit d'un tel colorant de rester froid sous le soleil. Subramanyan a placé deux nichoirs en bois sous une paire de lampes sur une table dans le bureau. Le toit de l'un d'eux a été peint en deux avec de l'oxyde de chrome noir et du bleu cobalt; l'autre est noir mélangé avec du bleu YInMn. Un nichoir teinté de YInMn est resté à 55 degrés [° F; environ 11 ° C / env. trans.] plus froid que l'autre.

Subramanyan a écrit un article scientifique décrivant son pigment bleu, et l'a publié dans le Journal of the American Chemical Society, puis a déposé un brevet (n ° 8 282 728, octobre 2012). Le fait qu'il soit devenu le père d'un nouveau type de pigment bleu a attiré l'attention des médias, puis des entreprises. Subramanyan a été surpris par l'intérêt et a rapidement demandé de nouvelles subventions auprès du gouvernement. «Je pensais que tout était déjà connu dans ce domaine», dit-il. "Qui me donnerait de l'argent pour rechercher des pigments?"


Mélanger l'yttrium, l'indium et le manganèse pour obtenir YInMn

Mais l'enjeu était plus important qu'il ne le pensait. La société de recherche Ceresana estime l'industrie du pigment à 30 milliards de dollars, dirigée par de grandes sociétés chimiques telles que Lanxess, BASF, Venator (une filiale de Huntsman) et Chemours (une filiale de DuPont). Selon une étude de Smithers Rapra Ltd., les meilleurs pigments - les plus brillants, les plus stables et les plus fiables - représentent un segment du marché en croissance rapide et représentaient un sixième de son volume en 2016. La demande de pigments augmente à mesure que les colorants à base de plomb disparaissent progressivement et que de nouveaux marchés utilisent des colorants à des fins industrielles et de construction.

Un pigment bleu sûr, fiable et respectueux de l'environnement doit être extrêmement rentable. C'est, selon une large marge, la couleur préférée des Américains, selon Presman du Pantone Color Institute. «Le bleu est un concept d'espoir, de promesse, de fiabilité, de stabilité, de calme et de confiance», dit-elle. - Nous pensons que c'est la couleur de la constance et de la vérité. C'est l'une des couleurs les plus attrayantes et les plus confortables. " Le bleu est le hub principal de marques comme Ikea, Ford, Walmart et Facebook. On le trouve sur les étagères des réfrigérateurs, sur les murs et les vêtements. Les deux tiers des équipes de la Major League Baseball portent des uniformes bleus. La couleur bleue peut être trouvée partout.

Les sociétés appelant Subramanyan avaient beaucoup d'idées sur YInMn. HP voulait savoir si de l'encre pouvait en être fabriquée. Chanel était intéressé par son utilisation en cosmétique. Merck - sur les soins de la peau. Nike s'est demandé s'il pouvait être utilisé pour teindre le cuir des chaussures de sport pour garder ses pieds au frais. Les sous-traitants des entreprises travaillant sur des voitures-robots pensaient que les capacités de réflexion de YInMn pouvaient améliorer les performances des capteurs.

Les marchands de pigments sont également intéressés. Shepherd color Co. envoyé des représentants à l'Université de l'Oregon une semaine après la publication des travaux, puis a passé deux ans à vérifier YInMn pour l'impact environnemental, la conformité réglementaire et les coûts. La prochaine étape est l'octroi de licences. Le brevet appartenait à Subramanyan, mais l'université avait droit à des redevances, car la découverte avait été faite dans un laboratoire qui lui appartenait. Shepherd a reçu une licence exclusive en 2015 et a immédiatement commencé à préparer la production de lots d'une demi-tonne pour le marché, qui, de son point de vue, était le plus précieux: les revêtements industriels et les couvertures de toit. En septembre dernier, huit ans après l'ouverture de Subramanyan, l'Agence américaine de protection de l'environnement a finalement approuvé YInMn pour une utilisation commerciale pour les revêtements industriels et les plastiques. Shepherd est rapidement entré sur le marché.



La prochaine étape naturelle pour l'entreprise consistait à demander son inclusion dans la liste de contrôle des substances toxiques, ce qui permettrait l'utilisation de colorant partout - potentiellement dans les cas qui intéressaient Nike et d'autres. Mais jusqu'à présent, Shepherd n'a pas déposé une telle demande. Jusqu'à présent, YInMn a fait d'autres entrées sur le marché avec Crayola LLC, dont le premier nouveau crayon en une décennie, Bluetiful aurait été "inspiré" par YInMn - Shepherd ne dit pas si l'entreprise paie des redevances - et Derivan, la société de peinture australienne qui a transformé ce pigment dans la peinture acrylique, qu'elle propose pour tester aux artistes dans plusieurs magasins de détail.

Le marché disponible pour Shepherd est limité par le coût élevé des pigments, en raison du coût de l'indium, un métal principalement utilisé dans la production de couches transparentes, minces et conductrices de smartphones à écran tactile. À ces fins, il devrait être extrêmement propre, ce qui, associé à une forte demande, signifie que son coût est de 720 $ le kg à la fin de 2017 (le manganèse coûte 1,74 $). Par conséquent, le YInMn de Shepherd coûte 1 000 $ le kg et est le pigment le plus cher. Ryan, le directeur marketing de Shepherd, plaisante en disant qu'à moins que le météore indien ne tombe quelque part dans le sud-ouest de l'Ohio, le coût restera élevé.

Mais cela ne signifie pas que vous ne pouvez pas gagner d'argent avec. Jeffrey Peak, directeur de la recherche et du développement chez Shepherd, a déclaré que le YInMn et d'autres pigments inorganiques complexes sont les positions les plus fiables parmi les produits de la société. En tant que peinture, ils peuvent être garantis jusqu'à 50 ans - et cela vaut l'investissement dans un toit ou des façades métalliques pour les gratte-ciel. D'autres applications et des prix plus bas n'apparaîtront pas avant que les chercheurs de Shepherd ou de l'Oregon University ne puissent remplacer l'indium sans compromettre le bleu.

La lenteur des progrès des inspections et de l'approbation par les régulateurs, les redevances aux avocats et les autres frais de licence signifient que près de neuf ans après l'ouverture, Subramanyan n'a pas encore perçu de redevances. Et pourtant, YInMn a relancé sa carrière et lui a donné une nouvelle direction. "Si nous pouvons créer un beau pigment rouge, stable et non toxique, ce sera un grand succès", dit-il. "J'espère bien."

Le brevet n ° 8 282 728 est en principe quelque chose de bien plus précieux que YInMn lui-même. Il ne mentionne que brièvement la «riche couleur bleue». La véritable invention du Subramanien est la structure cristalline (organisation des atomes) d'un matériau appelé coordination bipyramidale trigonale. Le manganèse donne une couleur bleue, et en ajustant sa proportion dans le mélange, vous pouvez rendre la teinte plus claire ou plus foncée. Mais, comme le montrent les boîtes Subramanyan avec du violet et du vert marais, cette structure est capable d'absorber (et de refléter) d'autres couleurs. Cette découverte était comme trouver une porte secrète dans une étagère.

June Lee, un chercheur junior au laboratoire de Subramanyan, dit qu’ils ont d’abord pensé qu’en réduisant la quantité d’indium, ils pouvaient devenir rouges. Mais ce n'était pas si simple. La plupart des colorants rouges sont des semi-conducteurs, et différentes astuces sont nécessaires pour maintenir leur conductivité. Une approche consiste à ajuster la distance entre les atomes du mélange, ce qui modifie l'énergie d'absorption des électrons sur lesquels la lumière tombe, à cause de laquelle la composition absorbe le bleu et réfléchit le rouge. Mais une telle approche pourrait tout aussi bien rendre le matériau à sa couleur gris clair d'origine. «Vous pouvez essayer de prédire le résultat», dit-elle. "Mais vous ne le ferez certainement pas."

Réduire la proportion ou remplacer l'indium rendrait le nouveau colorant rouge moins cher (et pourrait conduire à la version YInMn du bleu sans indium). L'incapacité de comparer les coûts et la demande a été noyée par le colorant rouge le plus prometteur des dernières décennies, une nuance riche découverte à la fin des années 1990 par deux chercheurs allemands. Ils cherchaient un substitut au cadmium, le métal lourd naturel présent dans la croûte terrestre. Dans les peintures, le cadmium a longtemps été considéré comme sûr et fiable;sa luminosité égayait le travail de Monet, Van Gogh et Munch. Mais il a gagné en notoriété en raison de sa capacité à s'infiltrer dans l'environnement de la production et à contaminer les approvisionnements alimentaires. Une étude de 1997 a trouvé des traces de cadmium dans les sacs à dos, les jouets et les écouteurs des enfants. (Après cela, ce métal a été trouvé dans les bijoux de marque de Miley Cyrus et les sièges du stade Highbury, l'ancien stade de la maison d'Arsenal).

Des chercheurs allemands ont utilisé le pigment rouge au lieu des pérovskites de cadmium (CaTaO ₂ N et LaTaON ₂) Dans un article publié dans le magazine Nature en 2000, ils ont déclaré que le colorant inorganique semble être un "remplacement prometteur" pour les couleurs à base de cadmium. Mais le mélange s'est avéré trop cher pour la vente en gros (et sa production nécessitait du gaz ammoniac toxique), de sorte qu'il n'est jamais entré sur le marché commercial.

L'Union européenne envisageait d'interdire la vente de colorants à base de cadmium, mais avant que la pression de groupes d'artistes ne décide de le faire. Comme la Consumer Product Safety Commission des États-Unis, qui a recommandé une «consommation quotidienne acceptable» de cadmium après des pétitions plaidant pour sa réglementation. Le cadmium est désormais à la septième place sur la liste des 275 substances dangereuses compilée par la Toxic Substances and Diseases Agency (cobalt au 51e).

Pour Subramanyan, le succès signifierait la découverte d'un pigment rouge qui pourrait remplacer non seulement le cadmium, mais aussi les colorants synthétiques. Parmi eux se trouve le «rouge naturel 4», sans danger pour la consommation du point de vue de la Food and Drug Administration des États-Unis, mais de courte durée sous forme de peinture et de carmin , un pigment libéré par des insectes qui a attiré l'attention du PETA (People for Ethical). attitude envers les animaux). Vous y penserez à deux fois avant d'acheter du rouge à lèvres fait sur sa base.

Le rouge n'est peut-être pas la couleur préférée des Américains, mais c'est la couleur du courage et de la séduction, de la joie et de la révolution, et il reste important pour le monde entier en termes de culture et de commerce. Presman dit que c'est la couleur la plus audacieuse, sauf pour le noir, elle projette puissance et autorité (bonnes qualités pour les panneaux stop). Les voitures rouges ne représentent que 8% de la population automobile, mais suffisamment d'argent peut être fait pour cela, surtout compte tenu de la prévalence de cette couleur parmi les voitures de sport brillantes et chères.

Subramanyan veut faire du rouge, qui remplacera les existants, mais sera si sûr qu'il pourra être sur les étagères des magasins sans aucun déguisement. «Je vais dans une quincaillerie et je ne vois que des numéros de fleurs», dit-il. - Personne ne sait ce qui se passe en termes de chimie. Incroyable Nous le tenons pour acquis. Nous voyons la couleur et nous disons: «D'accord, elle est probablement formée par un pigment.» Mais personne ne sait ce qui se cache vraiment derrière cette couleur. »

Lors d'un dîner dans un pub de la rue où se trouve son laboratoire, Subramanian mentionne un récent voyage qu'il a effectué avec sa femme, une artiste, à New York. «Nous sommes allés au musée GuggenheimDit-il. «Je détestais aller dans les musées.» Je lui demanderais de partir seule et j'irais à l'université la plus proche pour visiter le département de chimie. » Mais ce voyage, il est arrêté devant « Blue Mountain » par Wassily Kandinsky , et depuis longtemps les yeux fixés sur ultramarine, utilisé pour l' image attire l'attention des montagnes. «C'est incroyable à quel point il a changé ma vie», dit Subramanian à propos de YInMn.

Les murs du pub sont ternes, rouge rouille. Il jette un coup d'œil expert autour de lui, disant qu'il n'est pas impressionné. «Oxyde de fer», dit-il. "Certainement."


Quatre disques avec YInMn après la cuisson. Le disque au centre contient le mélange pressé avant la cuisson.

Il admet à nouveau qu'il n'est pas préoccupé par le manque de paiements en espèces de YInMn. Il est fier que son 57e brevet dans sa carrière, bien que pas particulièrement tangible, soit au moins à peu près compris par la personne moyenne. Un inconnu s'est récemment approché de lui à l'aéroport, qui l'a reconnu comme l'inventeur d'une nouvelle couleur, et lui a demandé: «C'est une très belle couleur bleue. Comment êtes-vous tombé sur lui? "

La difficulté dans l'étude des colorants est que même après une planification et des stratégies de construction très minutieuses, vous ne pouvez toujours pas être sûr de ce que vous avez fait jusqu'à ce que vous ouvriez la porte du poêle. Subramanyan cherchait de l'électronique et est tombé sur un nouveau bleu. Peut-être, à la recherche d'un nouveau rouge, plaisante-t-il, il tombera sur de nouveaux appareils électroniques.

, . . , , , .

«, — . – ».