Procurando uma nova cor de bilhões de dólares

Nunca tivemos um pigmento vermelho verdadeiramente seguro, estável e brilhante. Sua invenção pode começar com o YInMn, o primeiro pigmento azul criado em dois séculos.

Mas Subramanyan , a maior estrela do mundo pouco conhecido da pesquisa de pigmentos, está olhando para um conjunto de latas de pescoço largo contendo pós em todas as cores do arco-íris, exceto uma. Há laranja, amarelo, verde, azul, azul e roxo. "Estamos perto do objetivo", diz ele, otimista. E aponta para uma jarra com poeira marrom-avermelhada, esfumaçada e com uma pitada de páprica. Cor bonita, mas não a que ele está procurando.

Durante nove anos de sua permanência temporária no mundo sofisticado das flores, Subramanjan, professor de ciência dos materiais na Universidade de Oregon em Corvallis, ficou completamente fascinado pelo mundo da química, que ele, como muitos de seus colegas, já havia considerado um campo de baixa tecnologia. Ele ganhou fama devido à criação acidental de um novo pigmento em 2009, uma substância que pode dar cor a outro material. O YInMn blue ( Yinmin é lido) é uma mistura de ítrio, óxido de índio e manganês, elementos da tabela periódica que, quando reunidos, dão origem a algo único. YInMn é o primeiro pigmento azul a ser descoberto em mais de 200 anos.

A indústria da cor foi atingida não apenas pelo exótico pigmento azul, mas também por outras tonalidades que é capaz de fornecer. Subramanyan logo percebeu que a adição de cobre poderia produzir pigmento verde. Adicionando ferro - laranja. O zinco e o titânio são silenciados em roxo.

Estudando suas criações espalhadas pela bancada, como se fosse o testemunho do bingo de Willy Wonk, ele franze a testa. "Fizemos outras cores", diz ele, "mas não encontramos o vermelho".

O mundo não tem a cor vermelha perfeita. E sempre faltava. Interrompemos com todo tipo de opções, de tóxico a desagradável. Os gladiadores manchavam seus rostos com vermelhão, um corante à base de mercúrio. Ticiano desenhou com a ajuda do mineral realgar contendo arsênico. A forma vermelha do exército britânico foi criada usando corante extraído do besouro " cochonilha mexicana ". Por várias décadas, os cubos vermelhos de Lego continham cádmio, que acabou sendo um agente cancerígeno.

Hoje, existem mais de 200 pigmentos vermelhos naturais e artificiais, mas cada um deles tem problemas com segurança, estabilidade, cor e opacidade. O pigmento é vermelho 254, também conhecido como "Ferrari vermelho", por exemplo, é popular e seguro, mas é baseado em carbono, por causa do qual escurece na chuva ou no calor. "É contra-indicado estarmos ao sol", diz Narayan Handandekar, diretor do Centro de Pesquisa Técnica e Conservação Harvard Straus e curador da coleção de pigmentos da Forbes. "O mesmo vale para a maioria dos sistemas orgânicos". Um pigmento vermelho é estável, não tóxico e eterno: óxido de ferro, ou ocre vermelho, argila avermelhada, encontrada em pinturas rupestres do Paleolítico. "Mas não é tão brilhante quanto as pessoas precisam", diz Handekar.

O novo pigmento pode render centenas de milhões de dólares anualmente, afetando todas as categorias de produtos, de plásticos e cosméticos a máquinas e construção. O pigmento azul de maior sucesso comercial, a ftalocianina , pode ser encontrado na sombra dos olhos, no gel de cabelo e até nos vagões britânicos. O pigmento azul Subramanyan parece ser superior a ele, mas isso não significa que ele tenha enriquecido o cientista. O que começou na forma de pesquisa científica revelou todo um conjunto de novos problemas relacionados à aprovação do YInMn, sua produção e lançamento no mercado.

Tendo iniciado esse processo, Subramanyan, sendo mais um cientista do que um CEO, agora está procurando uma cor vermelha igualmente segura e inorgânica que vem do YInMn - algo que pode deixar uma Ferrari vermelha, trazendo US $ 300 milhões anualmente, muito para trás. Mark Ryan, gerente de marketing da Shepherd Color Co., uma empresa sediada em Cincinnati, disse que qualquer pessoa que pudesse encontrar uma cor tão vermelha não poderia "mais ir trabalhar no dia seguinte".

Subramanyan, aprendendo sobre as promessas de Ryan, sorri. "Mas eu ainda iria trabalhar", diz ele. "Gosto do que estou fazendo."

Subramanyan tem 64 anos, é baixo, está um pouco acima do peso e usa bigode escuro, curvando-se para baixo nos cantos da boca. Ele cresceu na cidade de Chennai [ex. Madras / aprox. trans.], localizado na costa sudeste da Índia, e sua paixão pelo que os objetos são feitos nasceu do estudo das belas conchas que o mar jogou em terra. "Como a natureza faz essas coisas?" Ele se fez uma pergunta. E só muito mais tarde ele começou a fazer perguntas sobre como as conchas encontram sua cor.

Tecnicamente falando, as cores são a percepção visual de uma cor que é refratada e dispersa, ou refletida na composição atômica de um objeto. Os computadores modernos são capazes de exibir 16,8 milhões de cores diferentes - isso é muito mais do que as pessoas podem ver ou imprimir impressoras. Para transformar uma cor digital ou inventada em algo tangível, é necessário pigmento. "Digamos que você tenha uma linda cor azul", diz Lori Presman, vice-presidente do Pantone Color Institute, que ajuda as empresas a desenvolver estratégias de cores para marcas e produtos. "Mas você pode realmente fazer essa cor e aplicá-la em veludo, seda, algodão, viscose ou papel revestido?"

"Não se trata apenas de cores", acrescenta ela. - O ponto é a composição química da cor. É possível realizar essa composição no material em que você deseja aplicá-la? ”

Esses recursos limitam a gama de pigmentos disponíveis para vestuário, construção, tecnologia e outras indústrias. Um único óxido de titânio ocupa quase dois terços do mercado internacional de pigmentos; é avaliada em US $ 13,2 bilhões e é responsável pela brancura das linhas de marcação de rodovias, creme dental e rosquinhas em pó. Historicamente, a produção de outras cores tem sido associada à inclusão de elementos ou substâncias inorgânicos perigosos - chumbo, cobalto ou mesmo cianeto. Nos últimos anos, as regras relacionadas à saúde e ao meio ambiente geraram uma mudança ativa em direção a pigmentos orgânicos mais favoráveis, como resultado dos pesquisadores descobrem muitas novas cores preta, amarela e verde. Mas o azul é uma questão completamente diferente.



Subramanyan entrou nos anais da pesquisa de pigmentos, embora ele próprio não tenha procurado pigmentos e nem misturado ingredientes que pudessem dar origem a uma cor específica. Ele e seus colegas estavam envolvidos na eletrônica - especificamente, multiferróicos , materiais polarizados simultaneamente magneticamente e eletricamente, o que poderia ser útil para a criação de computadores. O ítrio parece branco opaco, o óxido de índio é preto e o manganês é amarelo-amarelado. Andrew Smith, um dos alunos de graduação sob a liderança de Subramanyan, moeu-os a cinza, colocou a mistura em um prato e colocou no forno a uma temperatura de 1200 ° C. Doze horas depois, um azul profundo, enérgico e inebriante foi retirado do fogão. Era tão brilhante, tão incrível que parecia quase extraterrestre - o mirtilo venusiano mais fresco, descascado, polido e brilhando por dentro.

"O que diabos aconteceu?" Subramanyan perguntou quando o viu.

"Eu fiz exatamente o que você pediu!"

"Tem certeza de que preparou tudo certo?"

"Sim"

"Vamos tentar novamente."

Subramanyan sabia algo sobre as descobertas. Depois de receber seu Ph.D. em química pelo Instituto Indiano de Tecnologia de Madras, ele passou três décadas pesquisando a química de materiais sólidos na DuPont Co., estudando essencialmente a composição de tudo que não era líquido. Ele registrou 54 patentes, principalmente relacionadas a supercondutores, materiais termoelétricos e outros tópicos esotéricos de interesse apenas para um círculo restrito de químicos envolvidos em eletrônica. Nada colorido. Mas Subramanyan percebeu que algo interessante havia acontecido.

Ele entrou em contato com colegas da Universidade da Califórnia, em Santa Barbara. "Você precisa ver isso para acreditar", disse ele. Eles não compartilharam suas delícias opcionais.


Diferentes concentrações de manganês dão diferentes tons e densidades de cores.

"Eu nunca vi essa cor na minha vida", lembra ele. "Eu fiz tantos óxidos." Os supercondutores são sempre pretos, marrons, às vezes amarelos. Eu nunca fiz uma coisa dessas. É como se ele cruzasse tomates com cebolas e tivesse melão. "Eu estava constantemente preocupado - é real ou estou sonhando?"

O azul é uma das flores mais comuns da natureza, mas é muito difícil criar para uma pessoa. Quando os antigos egípcios tentaram reproduzir a tonalidade profunda e oceânica do ultramar, para decorar túmulos, papiros e pinturas, receberam uma cor turquesa. No Renascimento, o ultramarino poderia valer mais que o ouro, porque o lápis-lazúli do qual esse pigmento era produzido era extraído no distante Afeganistão. (E, no entanto, Michelangelo conseguiu o suficiente para pintar o teto da Capela Sistina.) O primeiro pigmento sintético moderno, o azul da Prússia , uma mistura de hexacianoferratos, foi descoberto apenas no início do século XVIII por um químico alemão que tentou criar uma cor vermelha. Desde então, muitos pigmentos azuis comuns (azul, meia-noite, água-marinha, smalt) contêm traços de cobalto, que provavelmente é cancerígeno.

Subramanyan e Smith começaram a testar sua mistura mergulhando-a em ácido. Eles gostaram do fato de que ela não se dissolveu. O YInMn também foi considerado inerte, não monótono e não tóxico. Era mais confiável que o azul ultramarino e da Prússia, mais seguro que o azul de cobalto , mais claro que o azul de ftalocianina, mais escuro que o azul vitoriano. Ele refletia bem o calor, o que provavelmente permitiria que um objeto revestido com esse corante permanecesse frio sob o sol. Subramanyan colocou duas gaiolas de madeira sob um par de lâmpadas em uma mesa no escritório. O teto de um deles foi pintado ao meio com óxido de cromo preto e azul cobalto; o outro é preto misturado com o azul YinMn. Uma caixa de nidificação corada com YInMn permaneceu a 55 graus [° F; cerca de 11 ° C / aprox. trans.] mais frio que o outro.

Subramanyan escreveu um artigo científico descrevendo seu pigmento azul, publicou-o no Journal of the American Chemical Society e, em seguida, solicitou uma patente (n ° 8.282.728, outubro de 2012). O fato de ele ter se tornado pai de um novo tipo de pigmento azul atraiu a atenção da mídia e depois das corporações. Subramanyan ficou surpreso com o interesse e rapidamente solicitou novas doações do governo. "Eu pensei que tudo já era conhecido nesta área", diz ele. "Quem me daria dinheiro para pesquisar pigmentos?"


Mistura de ítrio, índio e manganês para obter YInMn

Mas havia mais em jogo do que ele pensava. A empresa de pesquisa Ceresana estima a indústria de pigmentos em US $ 30 bilhões, liderada por grandes empresas químicas como Lanxess, BASF, Venator (uma filial da Huntsman) e Chemours (uma filial da DuPont). Os melhores pigmentos - os mais brilhantes, mais estáveis ​​e confiáveis ​​- representam um segmento de crescimento rápido do mercado e foram responsáveis ​​por um sexto de seu volume em 2016, de acordo com um estudo da Smithers Rapra Ltd. A demanda por pigmentos está crescendo à medida que os corantes à base de chumbo estão desaparecendo gradualmente, e novos mercados estão usando corantes para fins industriais e de construção.

Um pigmento azul seguro, confiável e ecológico deve ser extremamente rentável. É, por uma ampla margem, a cor preferida dos americanos, de acordo com Presman do Pantone Color Institute. "Azul é um conceito de esperança, promessa, confiabilidade, estabilidade, calma e confiança", diz ela. - Acreditamos que essa é a cor da constância e da verdade. Essa é uma das cores mais atraentes e confortáveis ​​". Blue é o principal centro de marcas como Ikea, Ford, Walmart e Facebook. Pode ser encontrada nas prateleiras dos refrigeradores, nas paredes e nas roupas. Dois terços das equipes da Major League Baseball usam uniforme azul. A cor azul pode ser encontrada em qualquer lugar.

As empresas que ligavam para Subramanyan tinham muitas idéias sobre o YInMn. A HP queria saber se poderia ser feita tinta a partir dela. A Chanel estava interessada em seu uso em cosméticos. Merck - sobre cuidados com a pele. Nike se perguntou se poderia ser usado para tingir o couro de tênis para manter os pés frescos. Os subempreiteiros de empresas que trabalham com carros-robôs acreditavam que as capacidades reflexivas da YInMn poderiam melhorar o desempenho do sensor.

Revendedores de pigmentos também estão interessados. Pastor cor Co. enviou representantes à Universidade de Oregon uma semana após a publicação do trabalho e passou dois anos verificando o YInMn quanto a impacto ambiental, conformidade regulatória e custo. O próximo passo é o licenciamento. A patente pertencia a Subramanyan, mas a universidade tinha direito a royalties, pois a descoberta foi feita em um laboratório de sua propriedade. A Shepherd recebeu uma licença exclusiva em 2015 e imediatamente começou a se preparar para a produção de lotes de meia tonelada para o mercado, que, do seu ponto de vista, era o mais valioso: tapume industrial e coberturas. Em setembro passado, oito anos após a abertura do Subramanyan, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA finalmente aprovou o YInMn para uso comercial em revestimentos industriais e plásticos. Shepherd entrou rapidamente no mercado.



O próximo passo natural para a empresa foi solicitar a inclusão na lista de controle de substâncias tóxicas, o que permitiria o uso de corante em qualquer lugar - potencialmente nos casos de interesse da Nike e de outros. Mas até agora, Shepherd não apresentou tal pedido. Até agora, a YInMn fez outras entradas no mercado com a Crayola LLC, cujo primeiro lápis novo em uma década, a Bluetiful supostamente foi "inspirada" pela YInMn - a Shepherd não diz se a empresa paga royalties - e a Derivan, a empresa de pintura australiana que transformou isso pigmento em tinta acrílica, que ela oferece para testar com artistas em várias lojas de varejo.

O mercado disponível para a Shepherd é limitado pelo alto custo do pigmento, devido ao custo do índio, um metal usado principalmente na produção de camadas transparentes, finas e condutoras de smartphones com tela sensível ao toque. Para esses fins, deve ser extremamente limpo, o que, juntamente com a alta demanda, significa que seu custo é de US $ 720 por kg no final de 2017 (o manganês custa US $ 1,74). Como resultado, o YInMn da Shepherd custa US $ 1.000 por kg e é o pigmento mais caro. Ryan, gerente de marketing da Shepherd, brinca que, a menos que o meteoro da Índia caia em algum lugar no sudoeste de Ohio, o custo permanecerá alto.

Mas isso não significa que você não pode ganhar dinheiro com isso. Jeffrey Peak, gerente de pesquisa e desenvolvimento da Shepherd, disse que o YInMn e outros pigmentos inorgânicos complexos são as posições mais confiáveis ​​entre os produtos da empresa. Como tinta, eles podem receber uma garantia de até 50 anos - e isso vale o investimento em um telhado de metal ou fachadas para arranha-céus. Outras aplicações e preços mais baixos não aparecerão antes que pesquisadores da Shepherd ou da Universidade de Oregon possam substituir o índio sem comprometer o azul.

O lento progresso das inspeções e aprovação pelos órgãos reguladores, royalties para advogados e outros custos de licenciamento significa que, quase nove anos após a abertura, Subramanyan ainda não obteve royalties. E, no entanto, YInMn reviveu sua carreira e estabeleceu-lhe uma nova direção. "Se conseguirmos criar um belo pigmento vermelho, estável e não tóxico, será um grande sucesso", diz ele. "Espero que sim."

A patente nº 8.282.728 é, em princípio, algo muito mais valioso do que o próprio YInMn. Apenas menciona brevemente a "rica cor azul". A verdadeira invenção do Subramaniano é a estrutura cristalina (organização dos átomos) de um material chamado coordenação bipiramidal trigonal. O manganês dá uma cor azul e, ajustando sua proporção na mistura, você pode tornar a tonalidade mais clara ou mais escura. Mas, como demonstram as latas Subramanyan com roxo e verde pântano, essa estrutura é capaz de absorver (e refletir) outras cores. Essa descoberta foi como encontrar uma porta secreta em uma estante de livros.

June Lee, pesquisadora júnior do laboratório de Subramanyan, diz que primeiro pensou que, ao reduzir a quantidade de índio, poderia ficar vermelho. Mas não foi tão simples. A maioria dos corantes vermelhos são semicondutores e são necessários truques diferentes para manter sua condutividade. Uma abordagem é ajustar a distância entre os átomos da mistura, o que altera a energia de absorção dos elétrons nos quais a luz cai, por causa da qual a composição absorve o azul e reflete o vermelho. Mas essa abordagem também poderia devolver o material à sua cor cinza clara original. "Você pode tentar prever o resultado", diz ela. "Mas você certamente não vai."

Reduzir a proporção ou substituir o índio tornaria o novo corante vermelho mais barato (e potencialmente levaria à versão YInMn do azul sem índio). A incapacidade de comparar custo e demanda foi afogada pelo corante vermelho mais promissor das últimas décadas, uma sombra rica descoberta no final dos anos 90 por dois pesquisadores alemães. Eles estavam procurando um substituto para o cádmio, o metal pesado natural presente na crosta terrestre. Nas tintas, o cádmio é considerado seguro e confiável;seu brilho animava o trabalho de Monet, Van Gogh e Munch. Mas ganhou notoriedade por causa de sua capacidade de penetrar no meio ambiente pela produção e contaminar o suprimento de alimentos. Um estudo de 1997 encontrou vestígios de cádmio em mochilas, brinquedos e fones de ouvido para crianças. (Depois disso, esse metal foi encontrado em jóias de marca de Miley Cyrus e nos assentos do Highbury Stadium, o antigo estádio do Arsenal).

Pesquisadores alemães usaram o pigmento vermelho em vez de perovskitas de cádmio (CaTaO ₂ N e LaTaON ₂) Em um artigo da revista Nature em 2000, eles declararam que o corante inorgânico parece ser um "substituto promissor" para cores à base de cádmio. Mas a mistura acabou sendo muito cara para o atacado (e sua produção exigia gás tóxico de amônia), portanto nunca entrou no mercado comercial.

A União Européia estava pensando em proibir a venda de corantes à base de cádmio, mas antes da pressão de grupos de artistas, decidiu não. Como a Comissão de Segurança de Produtos de Consumo dos EUA, que recomendou "consumo diário aceitável" de cádmio após petições em defesa de sua regulamentação. O cádmio está agora em sétimo lugar na lista de 275 substâncias perigosas compiladas pela Agência de Substâncias e Doenças Tóxicas (cobalto na 51ª).

Para Subramanyan, o sucesso significaria a descoberta de um pigmento vermelho que poderia substituir não apenas o cádmio, mas também os corantes sintéticos. Entre eles está o “vermelho natural 4”, seguro para o consumo do ponto de vista da Administração de Medicamentos e Alimentos dos EUA, mas de curta duração na forma de tinta e carmim , um pigmento liberado por insetos que atraiu a atenção do PETA (People for Ethical). atitude em relação aos animais). Você pensará duas vezes antes de comprar o batom feito com base nele.

O vermelho pode não ser a cor preferida dos americanos, mas é a cor da coragem e sedução, alegria e revolução, e continua sendo importante para o mundo inteiro em termos de cultura e comércio. Presman diz que essa é a cor mais ousada, exceto o preto, que projeta poder e autoridade (boas qualidades para sinais de parada). Os carros vermelhos representam apenas 8% da população automobilística, mas pode ser feito dinheiro suficiente para isso, principalmente considerando a prevalência dessa cor entre carros esportivos brilhantes e caros.

Subramanyan quer ficar vermelho, o que substituirá os já existentes, mas será tão seguro que ele poderá estar nas prateleiras das lojas sem disfarçar. "Vou a uma loja de ferragens e vejo apenas números de flores", diz ele. - Ninguém sabe o que há em termos de química. Incrível Nós tomamos isso como garantido. Vemos a cor e dizemos: "Ok, provavelmente é formada por pigmento". Mas ninguém sabe o que realmente está por trás dessa cor. ”

Em um jantar em um pub na rua onde seu laboratório está localizado, Subramanian menciona uma recente viagem que ele fez com sua esposa, uma artista, para Nova York. “Fomos ao Museu GuggenheimEle diz. "Eu odiava ir a museus." Eu pediria que ela fosse sozinha e iria à universidade mais próxima para visitar o departamento de química. Mas nesta viagem, ele parou na frente de " Blue Mountain " por Wassily Kandinsky , e por um longo tempo olhando para ultramarino, usado para a imagem atrai a atenção das montanhas. "É incrível o quanto ele mudou minha vida", diz Subramanian sobre o YInMn.

As paredes do pub são de um vermelho fosco e enferrujado. Ele habilmente lança um olhar ao redor, dizendo que não está impressionado. "Óxido de ferro", diz ele. "Definitivamente."


Quatro discos com o YInMn após o cozimento. O disco no centro contém a mistura prensada antes de assar.

Ele novamente admite que não está preocupado com a falta de pagamentos em dinheiro do YInMn. Ele se orgulha de que sua 57ª patente em sua carreira, embora não seja particularmente tangível, seja pelo menos mais ou menos compreendida pela pessoa comum. Um estranho recentemente se aproximou dele no aeroporto, que o reconheceu como o inventor de uma nova cor e perguntou: “É uma cor azul muito bonita. Como você tropeçou nele?

A dificuldade no estudo de corantes é que, mesmo após um planejamento cuidadoso e estratégias de construção, você ainda não pode ter certeza do que fez até abrir a porta do fogão. Subramanyan procurava eletrônicos e encontrou um novo azul. Talvez, em busca de um novo vermelho, ele brinque, ele tropeçará em alguns eletrônicos novos.

Pelo menos desta vez, ele tem um ponto de partida claro e um senso de direção da pesquisa. No laboratório, ele pega uma lata de laranja queimada. Quando perguntado se este frasco lhe dá confiança de que ele encontrará seu vermelho, o cientista sorri.

"Não", ele responde. "Estamos apenas caminhando em direção a ele."