Волшебный синий: исследователи разрабатывают красители, которые светятся сквозь череп

Синий цвет изобрели египтяне. Об этом свидетельствуют древние синие стеклянные бусины. Они были найдены в гробнице, датируемой примерно 3300–3500 гг. до н. э. Позже пигмент также был обнаружен в иероглифах: например, они были вырезаны на пирамиде Унаса в Саккаре и заполнены пигментом. Фараоны, по-видимому, испытывали ненасытный спрос на так называемый «египетский синий». По оценкам, им требовалось около 1,4 тонны для украшения одного храма.

Древние римляне называли пигмент «caeruleum», что на латыни означает «цвет неба». Самый древний записанный рецепт его производства принадлежит архитектору по имени Витрувий. Он записал его примерно за 30 лет до начала нашей эры: «Песок и соль измельчаются так мелко, что образуется мукообразный продукт. Медь натирается на этой смеси грубыми напильниками, похожими на опилки».

Затем шарики приходилось формировать вручную и помещать в глиняные сосуды в горячую печь. «Как только медь и песок […] соединяются под воздействием огня, они впитывают пот друг друга», — продолжал Витрувий. «Таким образом, они теряют свои прежние свойства и приобретают синий цвет».

Без этих огромных усилий синий цвет был недоступен. Пигмент цвета неба придавал фрескам и мозаикам яркие синие оттенки, которые тщетно искать в ранних рисунках каменного века на стенах пещер Ласко или Альтамира. В то время людям приходилось довольствоваться тем, что было им доступно: охрой и углем. Синих красителей среди них не было, поскольку они редки.

Это связано с тем, что пигмент должен отражать синий свет и одновременно поглощать красный свет. Однако красные лучи являются лучами с самой большой длиной волны в видимом спектре, и поэтому имеют самую низкую энергию. «Поглощение таких лучей требует молекул с особыми электронными переходами», — говорит Роберт Нисслер из ETH Zurich. В египетском синем и других синих или фиолетовых минеральных пигментах эту задачу выполняют ионы меди. «Они являются светящимися центрами в кристаллической решетке», — говорит Нисслер.

Наноученый вместе с коллегами из Цюрихского университета, Empa и Германии разработал сложный производственный процесс для создания принципиально новых цветных пигментов. Новый синий цвет может сыграть важную роль в исследовании инсульта и в мониторинге долговечности замененных суставов. Исследователи сообщают. в специализированном журнале «Перспективные материалы » .

Однако, это было лишь в незначительной степени о синем цвете. Их интерес сосредоточен на другом аспекте, который археологи впервые заметили почти 30 лет назад: египетский синий не только поглощает красный свет, но и переизлучает значительную часть захваченной энергии в невидимом инфракрасном диапазоне. Химически близкородственный «Han Blue» из древнего Китая также обладает этим свойством. Это означает, что древние красители светятся.

Это позволяет легко обнаружить их с помощью приборов, которые делают инфракрасное излучение видимым – без повреждения драгоценных древних находок. В своей статье исследователи описывают их как «оптически активные» молекулы. «Инфракрасное излучение – это то, что делает эти красители такими особенными и уникальными», – говорит Нисслер.

На границе между светом и веществом даже малейшие изменения в среде ионов меди влияют на синий оттенок и инфракрасное свечение. Например, немного более светлый Egyptian Blue содержит дополнительные ионы кальция, в то время как немного более фиолетовый Han Blue содержит ионы бария, которые немного больше, что слегка искажает кристаллическую решетку.

Для производства новых цветных пигментов специалисты использовали к процессу, который существует всего двадцать лет. Хотя метод очень современный, он кажется настоящей алхимической игрой цветов: в так называемом синтезе пламени зеленые соки превращаются в синий или фиолетовый порошок.

На первом этапе исследователи растворяют щелочноземельные металлы, такие как кальций, барий или стронций, в органических растворителях. Затем они впрыскивают эти зеленые жидкости в пламя, нагретое до нескольких тысяч градусов. При таком тепле растворители мгновенно испаряются.

Остаются щелочноземельные металлы, которые слипаются на фильтре над пламенем, образуя крошечные сине-зеленые зерна. Затем эти комки размером около 30 нанометров помещаются в печь, нагретую до температуры около 1000 градусов по Цельсию на десять минут, где в конечном итоге образуются минералы — и появляются кристаллические синие или фиолетовые пигменты.

В отличие от обычных производственных процессов, синтез в пламени позволяет комбинировать различные щелочноземельные металлы в пигменте практически произвольно, объясняет Нисслер. Исследователи создали таким образом десятки новых красителей. Его любимый оттенок — «особенно интенсивный темно-синий» — создается путем объединения равных частей бария и стронция, говорит наноученый.

В ходе своих исследований эксперты еще больше усовершенствовали производственный процесс – и обнаружили, например, что температура печи и время, проведенное в печи, определяют цвет получаемых кристаллов пигмента. Частоты, на которых пигменты светятся в инфракрасном диапазоне, также зависят от этих параметров.

Чем ярче и длиннее длина волны инфракрасного света, тем лучше. Это происходит потому, что, начиная с длины волны около 1000 нанометров, открывается так называемое окно прозрачности: излучение этой длины волны проникает в биологическую ткань, не поглощаясь красным гемоглобином или водой. Это позволяет перехватывать его на другом конце тела и использовать для визуализации.

На самом деле, эксперты открыли смесь трех металлов, с помощью которой производят «ультраяркие» пигменты, которые светятся именно на нужной длине волны. «Используя новый метод, мы создали материал, который светится в десять раз ярче, чем имеющиеся в настоящее время пигменты», — говорит Нисслер.

Исследователи убеждены, что новый материал можно использовать как своего рода контрастное вещество. Они растворили пигменты в воде и ввели их в кровь мышей. Краситель светился через неповрежденные черепа мышей. Используя инфракрасные камеры, исследователи смогли наблюдать не только, где именно проходят кровеносные сосуды в мозге, но и с какой скоростью кровь течет по этим сосудам.

Такая информация важна для исследования инсульта, объясняет Нисслер. Она может предоставить информацию о том, как быстро кровоток возвращается в норму после растворения тромба, тем самым удаляя блокирующую пробку. Нисслер также имеет в виду еще одно возможное применение. Частицы могут, например, быть добавлены в керамические протезы бедра или колена. Если небольшие частицы отсоединяются от протеза из-за износа, хирурги могут легко обнаружить и удалить их с помощью инфракрасных камер.

Эти варианты пока далеки от реальности. Сейчас эксперты — с группой в Empa, работающей над нанотоксичностью — хотят проверить, насколько токсичны яркие синие пигменты. Вероятно, пройдет некоторое время, прежде чем дальнейшее развитие египетского синего сможет помочь людям с проблемами со здоровьем. Но после более чем 5000 лет это ожидание не имеет особого значения.

Статья из « NZZ am Sonntag »