寻找一种新的十亿美元颜色

我们从来没有真正安全,稳定和明亮的红色颜料。 他的发明可能始于YInMn,这是两个世纪以来产生的第一种蓝色颜料。




Mas Subramanyan是鲜为人知的颜料研究领域中的最大明星,他看着一簇宽颈罐,罐中除了所有的彩虹粉外,所有其他颜色的粉末均如此。 有橙色,黄色,绿色,蓝色,蓝色和紫色。 他乐观地说:“我们已接近目标。” 并指向一个罐子,罐子里布满了红棕色的烟熏烟熏味,让人联想到辣椒粉。 颜色不错,但不是他要找的颜色。

在俄勒冈州科瓦利斯大学材料科学教授Subramanjan暂时停留在复杂的花卉世界的九年中,他对化学世界完全着迷,就像他的许多同事一样,他以前曾将化学世界视为低技术领域。 他因在2009年偶然创造出一种新颜料而声名fa起,这种新颜料可以使另一种材料变色。 YInMn蓝 (读作Yinmin )是钇,氧化铟和锰的混合物,元素周期表中的元素在一起时会产生独特的东西。 YInMn是200多年来发现的第一种蓝色颜料。

色彩行业不仅受到异国情调的蓝色颜料的影响,而且还受到其能够提供的其他色调的影响。 Subramanyan很快意识到添加铜可以制造绿色颜料。 通过添加铁-橙色。 锌和钛是柔和的紫色。

研究工作分散在工作台上,仿佛威利·旺克(Willy Wonk)的宾果游戏的证词,他皱了皱眉。 他说:“我们制作了其他颜色,但没有找到红色。”

世界缺乏完美的红色。 始终缺乏。 我们打断了从有毒到令人不快的各种选择。 角斗士们用朱红(一种汞基染料)涂抹了他们的脸。 提香是在含有砷的矿物雄黄的帮助下绘制的。 英国军队的红色形式是使用从甲虫“ 墨西哥胭脂虫 ”中提取的染料制成的 。 几十年来,红色的乐高积木中都含有镉,而镉是一种致癌物。

如今,有200多种天然和人工红色颜料,但是每种颜料都存在安全性,稳定性,颜色和不透明性方面的问题。 颜料是红色254,又名“红色法拉利”,它是受欢迎且安全的颜料,但它是基于碳的,因此在雨中或高温下会变暗。 哈佛大学施特劳斯保护与技术研究中心主任,《福布斯》颜料收藏馆馆长纳拉扬·汉丹德卡(Narayan Handandekar)说:“我们被禁止在阳光下晒太阳。” “大多数有机系统也是如此。” 一种红色颜料是稳定的,无毒的且永恒的:氧化铁或红o石,微红色的粘土,在旧石器时代的岩画中发现。 汉德卡说:“但这并不像人们所需要的那样明亮。”

这种新颜料每年可带来数亿美元的收入,影响到从塑料和化妆品到机械和建筑的所有类别的产品。 在眼影,发胶中,甚至在英国的有轨电车中,都可以找到商业上最成功的蓝色颜料酞菁 。 蓝色颜料Subramanyan似乎比他优越,但这并不意味着他使这位科学家变得富有。 以科学研究的形式开始的过程揭示了与YInMn的批准,其生产和市场推广有关的一系列新问题。

开始这一过程后,Subramanyan不仅是科学家,还更是首席执行官,现在正在寻找一种来自YInMn的同样安全的无机红色-这种东西可以留下红色法拉利,每年带来3亿美元的收入,远远落后于此。 辛辛那提的一家公司Shepherd Color Co.的市场经理Mark Ryan表示,任何能找到这种红色的人“第二天将不再上班”。

Subramanyan,了解了Ryan的诺言,笑了。 “但是我仍然会去上班,”他说。 “我喜欢我在做什么。”

Subramanyan今年64岁;他矮小,有点超重,戴着深色胡须,在嘴角向下弯曲。 他在钦奈市长大。 马德拉斯/约 [trans。],位于印度东南沿海,他对这些物品的制造热情源于对大海扔上岸的美丽贝壳的研究。 “大自然如何做这些事情?” 他问自己一个问题。 直到很久以后,他才开始问有关贝壳如何发现其颜色的问题。

从技术上讲,颜色是对物体折射或散射或从对象的原子组成反射的颜色的视觉感知。 现代计算机能够显示1680万种不同的颜色-这远远超过了人们所能看到或打印的打印机。 为了将数字或发明的颜色变成有形的东西,需要颜料。 Pantone色彩研究所副总裁Lori Presman说:“假设您想到的是一种漂亮的蓝色。”该公司帮助公司制定品牌和产品的色彩策略。 “但是您真的可以制作出这种颜色并将其应用于天鹅绒,丝绸,棉,粘胶纤维或涂布纸上吗?”

她补充说:“这不仅与色彩有关。” -重点是颜色的化学成分。 是否有可能在您要应用的材料中实际实现这种组成?”

这些功能限制了可用于服装,建筑,技术和其他行业的颜料范围。 单一的二氧化钛几乎占据了国际颜料市场的三分之二。 它的价值为132亿美元,用于使道路标记线,牙膏和粉状的甜甜圈变白。 从历史上看,其他颜色的产生与危险的无机元素或物质(铅,钴或什至氰化物)的结合有关。 近年来,与健康和环境有关的规定已朝着更有利的有机颜料积极转变,其结果是研究人员发现了许多新的黑色,黄色和绿色。 但是蓝色是完全不同的问题。



Subramanyan进入了颜料研究的历史,尽管他本人并不寻找颜料,甚至没有混合可能引起任何特定颜色的成分。 他和他的同事涉足电子领域-特别是多铁性材料,这些材料同时被磁和电极化,这可能对创建计算机有用。 钇看起来像是暗淡的白色,氧化铟是黑色,锰是黄黄色。 安德鲁·史密斯(Andrew Smith)是Subramanyan领导下的一名研究生,将他们磨成灰色,将混合物放在盘子上,放在1200°C的烤箱中。 十二个小时后,从炉子中取出了深沉而充满活力的蓝色。 它是如此的明亮,令人惊奇,以至于看起来几乎是外星人-最新鲜的维纳斯蓝莓,从内部去皮,打磨并发光。

“到底发生了什么?” Subramanyan问他何时见到他。

“我完全按照你的要求做了!”

“您确定一切准备正确吗?”

“是的。”

“让我们再试一次。”

Subramanyan对发现有所了解。 从马德拉斯的印度理工学院获得化学博士学位后,他花了三十年的时间在杜邦公司研究固体材料的化学,从本质上研究了所有非液体的成分。 他注册了54项专利,主要涉及超导体,热电材料和其他深奥的主题,仅涉及电子领域的一小撮化学家。 没什么五颜六色的。 但是Subramanyan意识到发生了一些有趣的事情。

他联系了加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的同事。 他说:“您必须看到这一点才能相信。” 他们不同意他的喜好。


不同浓度的锰会产生不同的阴影和颜色密度。

他回忆说:“我从未见过这种颜色。” “我制造了很多氧化物。” 超导体总是黑色,棕色,有时是黄色。 我从未做过这样的事情。” 好像他把洋葱和西红柿一起越过西红柿,然后得到了一个瓜。 “我一直在担心-这是真的,还是我在做梦?”

蓝色是自然界中最常见的花朵之一,但事实证明,很难为一个人创造。 当古埃及人试图复制深海的群青色调来装饰坟墓,纸莎草和绘画时,他们得到了绿松石色。 在文艺复兴时期,群青可能比黄金更有价值,因为制造这种颜料的青金石是在遥远的阿富汗开采的。 (然而,米开朗基罗设法使它足够粉刷到西斯廷教堂的天花板上。)第一种现代合成颜料, 普鲁士蓝 ,一种六氰合铁酸盐的混合物,是在十八世纪初才被德国化学家发现的,他试图创造一种红色。 从那时起,许多常见的蓝色颜料(天蓝色,午夜,海蓝宝石,深蓝色)都含有痕量的钴,这可能是致癌的。

Subramanyan和Smith通过将混合物浸入酸中开始测试它们的混合物。 他们喜欢她没有解散的事实。 还发现YInMn是惰性,无钝和无毒的。 它比群青和普鲁士蓝更可靠,比钴蓝更安全,比酞菁蓝更浅,比维多利亚蓝更深。 它反射良好的热量,这很可能会使涂有这种染料的物体在阳光下保持寒冷。 Subramanyan在办公室的桌子上的一对灯下放置了两个木制鸟舍。 其中一个的屋顶用黑色的氧化铬和钴蓝色涂成一半。 另一种是黑色与YInMn蓝色混合。 用YInMn染色的巢箱保持在55度[°F; 约11°C /约 反。]比另一个更冷。

Subramanyan撰写了一篇描述他的蓝色颜料的科学论文,并将其发表在《美国化学学会杂志》上,然后申请了专利(2012年10月第8,282,728号)。 他成为一种新型蓝色颜料之父这一事实引起了媒体和公司的关注。 Subramanyan对此感到惊讶,并迅速向政府申请了新的赠款。 他说:“我认为该领域的一切都已众所周知。” “谁会给我钱来研究颜料?”


混合钇,铟和锰以获得YInMn

但是更多的事情比他想的要紧。 Ceresana研究公司估计颜料行业的产值达300亿美元,主要企业包括朗盛,巴斯夫,Venator(亨斯迈的一个分支机构)和Chemours(杜邦的一个分支机构)。 史密瑟斯·拉普拉(Smithers Rapra Ltd.)的一项研究显示,最好的颜料-最亮,最稳定和最可靠-代表着快速增长的细分市场,并在2016年占其总销量的六分之一。 随着铅基染料的逐渐消失,对颜料的需求也在增长,并且新的市场将染料用于工业和建筑用途。

安全,可靠,环保的蓝色颜料必须极其有利可图。 根据Pantone色彩研究所的Presman的说法,它是美国人最喜欢的色彩。 她说:“蓝色是希望,希望,可靠性,稳定,冷静和自信的概念。” -我们相信,这是坚定不移和真理的色彩。 这是最有吸引力和最舒适的颜色之一。” 蓝色是宜家,福特,沃尔玛和Facebook等品牌的主要枢纽。 它可以在冰箱的架子上,墙壁和衣服上找到。 美国职棒大联盟三分之二的球队穿着蓝色制服。 蓝色随处可见。

称为Subramanyan的公司对YInMn有很多想法。 惠普想知道是否可以用墨水制造墨水。 香奈儿对其在化妆品中的使用很感兴趣。 默克-关于皮肤护理。 耐克想知道是否可以将它染成运动鞋的皮革以保持双脚凉爽。 从事机器人汽车业务的公司的分包商认为,YInMn的反射功能可以提高传感器性能。

颜料经销商也有兴趣。 牧人色彩有限公司 这项工作发表后一周,派遣代表到俄勒冈大学,然后花了两年时间检查YInMn的环境影响,法规遵从性和成本。 下一步是许可。 该专利属于Subramanyan,但该大学有权获得版税,因为该发现是在他拥有的实验室中进行的。 Shepherd在2015年获得了独家许可,并立即开始为市场生产半吨批次的产品做准备,从她的观点来看,这是最有价值的:工业壁板和屋顶覆盖物。 Subramanyan开业八年后的去年9月,美国环境保护局最终批准了YInMn的商业用途,用于工业涂料和塑料。 牧羊人迅速进入市场。



该公司的下一个自然步骤是申请将有毒物质列入管制清单,这将允许在所有地方使用染料-耐克和其他公司可能感兴趣的情况。 但是到目前为止,Shepherd尚未提出这样的申请。 到目前为止,YInMn还与Crayola LLC进入了其他市场,Crayola LLC是其十年来的第一支新铅笔,据称Bluetiful受到YInMn的“启发”-Shepherd没有透露该公司是否支付特许权使用费-以及澳大利亚油漆公司Derivan改变了这一观点。她在几家零售店为艺术家提供测试用的丙烯酸涂料中的颜料。

由于铟的成本高昂,颜料的高成本限制了Shepherd可用的市场,铟是一种主要用于生产触摸屏智能手机的透明,薄和导电层的金属。 为此,它应该非常清洁,再加上需求量大,意味着其在2017年底的成本为每公斤720美元(锰成本为1.74美元)。 结果,Shepherd的YInMn成本为每公斤1,000美元,是最昂贵的颜料。 Shepherd的市场经理Ryan开玩笑说,除非来自印度的流星落在俄亥俄西南部的某个地方,否则成本将仍然很高。

但这并不意味着您不能靠它赚钱。 Shepherd的研发经理Jeffrey Peak说,YInMn和其他复杂的无机颜料是该公司产品中最可靠的位置。 作为油漆,它们可以提供长达50年的保修-值得在金属屋顶或摩天大楼外墙中进行投资。 在Shepherd或俄勒冈大学的研究人员可以在不损害蓝色的前提下取代铟之前,其他应用和更低的价格将不会出现。

监管机构的检查和批准进展缓慢,律师的特许权使用费和其他许可费用意味着,在开业近九年后,Subramanyan尚未发现任何特许权使用费。 然而,YInMn复兴了他的职业生涯,并为她设定了新的方向。 他说:“如果我们能制造出稳定,无毒的美丽红色颜料,那将是巨大的成功。” “我希望是。”

原则上,第8282728号专利比YInMn本身具有更大的价值。 它仅简要提及“丰富的蓝色”。 Subramanian的真正发明是被称为三角双锥体配位的材料的晶体结构(原子的组织)。 锰具有蓝色,通过调节其在混合物中的比例,可以使阴影变浅或变深。 但是,正如Subramanyan具有紫色和沼泽绿色的罐头所展示的那样,这种结构能够吸收(并反射)其他颜色。 这个发现就像在书架上找到一扇秘密的门。

Subramanyan实验室的初级研究员June Lee说,他们首先认为,仅通过减少铟的量,它们就会变红。 但这不是那么简单。 大多数红色染料是半导体,需要各种技巧来保持其导电性。 一种方法是调节混合物原子之间的距离,这会改变光入射到的电子的吸收能量,因此,该成分吸收蓝色并反射红色。 但是,这种方法也可以使材料恢复其原始的浅灰色。 她说:“您可以尝试预测结果。” “但是你当然不会。”

减少比例或替换铟将使新的红色染料便宜(并可能导致不含铟的YInMn版本的蓝色)。 无法比较成本和需求的原因是近几十年来最有前途的红色染料所淹没,这是两名德国研究人员在1990年代后期发现的一种浓淡阴影。 他们正在寻找镉的替代品,镉是存在于地壳中的天然重金属。 在油漆中,镉长期以来被认为是安全可靠的。它的亮度使莫奈,梵高和蒙克的作品变得活跃起来。但是,由于它能够从生产中渗透到环境中并污染食品供应,因此臭名昭著。 1997年的一项研究在儿童的背包,玩具和耳机中发现了镉的痕迹。 (此后,在麦莉·赛勒斯(Miley Cyrus)和前阿森纳主场海布里球场(Highbury Stadium)的座位上的品牌珠宝中发现了这种金属)。

德国研究人员使用红色颜料代替钙钛矿(CaTaO 2 N和LaTaON 2)他们在2000年《自然》杂志上的一篇文章中指出,无机染料似乎是镉基色料的“有希望的替代品”。但事实证明该混合物对于批发而言过于昂贵(并且其生产需要有毒的氨气),因此从未进入商业市场。

欧盟曾考虑禁止销售镉基染料,但在受到艺术家团体的压力之前,它决定不这样做。就像美国消费品安全委员会(US Consumer Product Safety Commission)一样,该委员会在请愿书中要求镉的监管后建议“每日可接受的镉消费量”。在有毒物质和疾病管理局(第51位的钴)编制的275种有害物质清单中,镉现在排名第七。

对于Subramanyan而言,成功将意味着发现一种红色颜料,该颜料不仅可以代替镉,而且可以代替合成染料。其中包括“天然红4”,从美国食品和药物管理局的角度来看可以安全食用,但以油漆形式短暂存在,而胭脂红(一种从昆虫中释放出来的色素)引起了PETA(道德伦理人)的关注。对动物的态度)。在购买以其制成的唇膏之前,您将三思而后行。

红色可能不是美国人最喜欢的颜色,但它是勇气,诱惑,喜悦和革命的颜色,对于文化和商业而言,它对全世界仍然很重要。普雷斯曼说,这是最大胆的颜色,除了黑色之外,它还彰显了力量和权威(停车标志的良好品质)。红色汽车仅占汽车人口的8%,但为此可以赚到足够的钱,尤其是考虑到这种颜色在明亮昂贵的跑车中的普遍性。

Subramanyan想要制造红色,它将取代现有的红色,但会非常安全,以至于他可以在商店的货架上不加任何伪装。他说:“我去一家五金店,只看到花号。” -没有人知道化学的含义。好厉害我们认为这是理所当然的。我们看到了颜色,然后说:“好吧,它可能是由颜料形成的。”但是没有人知道这种颜色的真正含义。”

在他的实验室所在的街道上的一家酒馆里的晚餐上,Subramanian提到了他最近与一位艺术家画家的妻子到纽约的旅行。 “我们去了古根海姆博物馆他说。 “我以前讨厌去博物馆。”我要她一个人去,然后我去最近的大学拜访化学系。”但在这次旅行中,他停在“前蓝山由康定斯基,并在相当长的时间在盯着群青,用于图像吸引了山的注意。 Subramanian谈到YInMn时说:“他改变了我的生活真是太神奇了。”

酒吧的墙壁是暗淡的,生锈的红色。他熟练地环顾四周,说他没有留下深刻的印象。 “氧化铁,”他说。 “绝对。”


烘烤后用YInMn制成四个圆盘。中间的圆盘包含烘烤前压制的混合物。

他再次承认,他并不担心YInMn缺乏现金支付。他为自己的职业生涯中的第57项专利(尽管不是特别有形)感到自豪,但它至少为普通人所理解。最近有一个陌生人在机场接他,他承认他是一种新颜色的发明者,并问:“这是一种非常美丽的蓝色。你怎么偶然发现他的?”

研究染料的困难在于,即使经过非常仔细的计划和构建策略,在打开炉门之前,仍然无法确定所做的工作。 Subramanyan在寻找电子产品,并遇到了新的局面。他开玩笑说,也许是在寻找新的红色时,他会偶然发现一些新的电子产品。

至少这次他有一个清晰的起点和研究方向。在实验室里,他拿起一罐烧焦的橙子。当被问到这个罐子是否使他有信心找到他的红色时,科学家笑了。

“不,”他回答。“我们只是朝着他前进。”

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN412723/


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