人间最纯粹之蓝,源自美丽的错误

蓝色,是基督教的众神所在的天空的颜色,这种颜色在基督教文化中占有非常重要的地位,正统的基督教教堂的玻璃就主要以蓝色为背景。

人间最纯粹之蓝,源自美丽的错误

到文艺复兴时期,对蓝色的追求可谓达到了极致:真蓝,品蓝,群青,这些当时被认为最纯粹的蓝色,都是从珍贵的天青石中提炼出来的,被视为颜料中的珍宝。

基督教堂玻璃主要以蓝色为背景

基督教堂玻璃主要以蓝色为背景 

从公元6世纪以来,天青石几乎只能在阿富汗地区开采加工,再通过威尼斯出口到欧洲,价值是同等重量黄金的五倍。艺术家们只会在最重要的作品中使用到这种蓝色颜料。直到18世纪早期“普鲁士蓝”,这种亚铁氰化物的出现,才将蓝色的使用成本降到了原来的十分之一。

2009年,一位来自俄勒冈州立大学的化学教授玛斯·苏博拉马尼安(Mas Subramanian)在制造半导体材料的过程中,“意外”地发现了一种蓝色化合物,并命名为“YInMn蓝”。有艺术家甚至称其为有史以来最鲜亮的蓝色,它不仅颜色鲜活、无毒无害、永不褪色,而且可以反射约40%的红外能量。一时间,涂料公司、制药公司、艺术家、美国军方纷纷上门一探究竟。

不久前,该技术正式被授权给了一家化学品公司,产品已经面世。此外,研发团队正试图通过改变材料的晶体结构来制造更多纯粹的颜色。

人间最纯粹之蓝,源自美丽的错误

蓝色的历史

几千年来,画家和探险家们一直在追寻亮丽的“群青色”(ultramarine)。早在在新石器时代,工匠们就将从阿富汗地区开采的天青石打磨成串珠及各类饰品(天青石是一种混有黄铁矿微粒的硅酸盐矿物质,亦称“愚人金”)。马可波罗也曾为这种珍贵的矿物而感到惊叹。在意大利文艺复兴时期,画家们则通过威尼斯控制的贸易路线来获得这种矿物,并制作成绘画颜料。

天青石原矿

天青石原矿

天青石就是当初“群青色”这种高品位色彩的主要原材料。“群青色”曾一直是蓝色系的首选,并且被用于宗教艺术中,来表现祭祀的神秘及神圣感。蓝色高昂的成本一直持续到了18世纪早期,然后“普鲁士蓝”(Prussian blue,亚铁氰化物)出现了。由于“普鲁士蓝”的成本大约是“群青色”的十分之一,因此,艺术家们逐渐转向低成本的“普鲁士蓝”。

梵高的著名油画《星空》(Starry Night),大量使用了“普鲁士蓝”。

梵高的著名油画《星空》(Starry Night),大量使用了“普鲁士蓝”。 

即使在今天,颜料仍然受到经济效益的影响,要考量的不仅是颜料的自身价格,同时还包括了后期使用成本,比如颜料的持久性和环保性。有机材料制成的颜料虽然生产成本相对低廉,但缺点是在阳光下容易褪色,因此会产生高昂的定期修复费用。此外,某些有机颜料具有毒性,比如普鲁士蓝。

除了群青(目前主要为人工合成)、普鲁士蓝之外,目前我们所能接触到的蓝色油画颜料还包括钴蓝(铝酸钴)、酞青蓝(铜酞青化合物)、天蓝(锡酸钴),以及蓝色色淀等。(说好的APEC蓝呢 -_-!)

下面你所看到的这种蓝色是一种全新的蓝色,也被认为是世界上最鲜亮的蓝。由于它是由钇(Yttrium)、铟(Indium)、锰(Manganese)三种金属混合而来,因此被命名为“YInMn蓝”。

“YInMn蓝”颜料粉末

“YInMn蓝”颜料粉末 

事实上,这种颜料的发现是源自一个“美丽的错误”。

意外的发现

俄勒冈州立大学(Oregon State University,OSU)化学系教授玛斯·苏博拉马尼安(Mas Subramanian)在寻找新半导体材料时,从未想过会发现一种全新的亮蓝色颜料。当他看到一个研究生从实验室熔炉中提取出一种明蓝色的粉末时,他震惊了,但那个学生却非常惊慌,他以为自己可能犯错误了。

在俄勒冈州立大学化学教授Mas Subramanian的实验室里,化学颜料与电磁材料争相辉映

在俄勒冈州立大学化学教授Mas Subramanian的实验室里,化学颜料与电磁材料争相辉映

“我们当时正在试图寻找一种计算机硬盘的新型磁性材料,但进展并不顺利。”玛斯教授说道。“我从未想过这些金属的混合竟然呈现了一种独特的颜色。我原以为它会是棕色或黑色的,但是当我真正看到它时,马上意识到它绝不是寻常的东西。”

根据玛斯教授的介绍,新发现的蓝色颜料稳定而又无毒无害,这种颜料在超过2200华氏度(约1200摄氏度)的温度下合成,能够反射约40%的红外热量,因此可能用于为建筑物降温及表面隔热,从而降低空调的能耗。而且,这种颜料的颜色还可以被“调节”,通过改变金属混合的比例,能够制作从天蓝色到接近黑色的一系列颜料。

另外,由于这种化合物不寻常的双三角锥晶体结构,所呈现的亮蓝色具有很强的耐久性,即使在高温下也不会褪色,在油、水和酸环境下表现也非常稳定。

在玛斯教授的实验室中,将金属混合物加热到2200华氏度以上,来制造具有电磁性和光吸收性的新型化合物。

在玛斯教授的实验室中,将金属混合物加热到2200华氏度以上,来制造具有电磁性和光吸收性的新型化合物。

自从这项新发现在《美国化学会志》(the Journal of the American Chemical Society)上发表后,艺术家、涂料商、能源公司,以及德国化学公司默克集团(Merck KGaA)纷纷开始与玛斯教授洽谈合作。

艺术家们使用“YInMn蓝”颜料绘制的画作

艺术家们使用“YInMn蓝”颜料绘制的画作

其中,默克集团是世界上历史最悠久的化学和制药公司之一,他们的主要业务包括为汽车与飞机涂层、塑料、墨水和化妆品制造颜料。鉴于“YInMn蓝”广阔的应用前景,默克集团资助了玛斯教授正在进行的一个研究项目。默克集团研发部高级总监杰哈德·普法夫(Gerhard Pfaff)表示,公司一直在为客户寻找能够减少重金属用量,又能创造全新色彩效果的方法。

杰哈德在一封电子邮件中提到:“新颜料的应用性能还应进一步改良,例如在涂料行业。也就是说,新颜料除了具有特殊色彩效果外,还应该对不同材质的表面具有更强的适应性和粘性。目前世界上从事该领域科研的大学团队并。在对无机材料及其结构基本认知的基础上,研发新的色料体系,是涂料工业创新的捷径。”

此外,甚至连美国海军也对该技术表示出兴趣,因为涂上热反射颜料的军舰在面对红外线热成像雷达时,将具有更良好的隐形性能。

纯蓝之源:水晶灯结构

下图中这种看上去像水晶灯的特殊“双三角锥”晶体结构,被用于制造一系列新型稳定性颜料,在化工行业里有广泛的应用。“YInMn蓝”就来源于这种被科学家们称为“双三角锥”(trigonal bipyramidal coordination)的特殊排列。虽然化学家们在几十年前就知道这种结构的存在,但并没有人提出它们可以作为新型颜料的基础结构。

人间最纯粹之蓝,源自美丽的错误

玛斯教授在研究之初其实也遇到了类似的问题。由于YInO3呈白色,而YMnO3呈黑色,但为什么两者的化合物为何会呈现出蓝色?通过与加州大学圣芭芭拉分校的尼古拉·斯波尔丁( NicolaA. Spaldin)教授的联合攻关,研究团队最终发现蓝色来自化合物中Mn3+特殊的双三角锥晶体结构。这种结构提高了锰原子d轨道的能级,导致对红绿可见光谱吸收能力大大增强,从而得到了纯粹、鲜亮的蓝色。

玛斯教授的团队将锰元素引入晶体结构中,原本试图制造出一种新的磁性材料,并将其应用于计算机硬盘。然而,他们却意外地制造出了这种蓝色的、具有特异的光吸收特性的材料。随后,他们又通过加入锌和钛,来生成紫色系;使用铁来替代锰,生成了橙色系;并尝试使用铜和钛来生成绿色系;以及使用其他元素来生成黄色和棕色。

通过在基础晶体结构中加入或替换不同金属元素,颜料会呈现出不同的颜色。

通过在基础晶体结构中加入或替换不同金属元素,颜料会呈现出不同的颜色。 

玛斯教授表示,化学理论从未指出这种结构能产生如此鲜明的色彩。虽然他的实验室仍会继续专注于半导体材料领域,学生们的研究课题也还会是新型磁性材料,但他们会将一部分精力放在颜料化学领域。

此外,玛斯教授还透露:“我们正在制造一种新的颜料,这种新颜料基于一种经常出现在陨石中、被称为黑铝钙石的矿物质。这种矿物质非常稀有,我们实验室正试图通过熔炼便宜而常见的原材料,来尝试这种造该矿物质。”

玛斯教授的团队已经开始致力于研发出持久、无毒、节能,并且能调出各种色彩的颜料。他们已经生产出蓝色、绿色、黄色和橙色,但是他更想找到一种高品质的红色。虽然使用汞或镉可以生产出很漂亮的红色,但玛斯教授表示,这种红色会导致环境污染。

目前,Shepherd Color公司已经获得该颜料技术的独家授权,并开始正式生产销售这种特殊颜料。

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1 Response

  1. 洪炜嵘说道:

    问问DT君颜色其实不止64种?也就是说理论上不同颜色的矿物提纯程度不一样得到的颜色不同?求解答 。
    有限制的只可能是颜料,而不是颜色。如果个别人眼睛的辨色能力足够强,理论上是可以分辨有杂质和没有杂质的矿物做出的颜料的。

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