В поисках красного пигмента стоимостью сотни миллионов долларов

Конспект статьи об открытии исследователя пигментов Маса Субраманьяна, который смог получить все цвета радуги кроме одного — красного.

Субраманьян, профессор материаловедения в университете штата Орегон в Корваллисе, занимается исследованием пигментов уже девять лет, хотя раньше, как и многие коллеги, считал, что эта область химии не относится к передовой.

Субраманьян стал известным после случайного изобретения. В 2009 году он создал новый пигмент — вещество, способное передавать цвет другому материалу. YInMn Blue — это смесь иттрия (Y), индия (In) и марганца (Mn). YInMn — первый пигмент синего цвета, созданный за последние 200 лет.

Дело не только в экзотичности цвета, но также и в оттенках, которые можно создать на основе этого пигмента. Добавив медь, можно получить зелёный цвет; железо — оранжевый. Однако красный цвет получить пока что не удалось.

На сегодня существует более чем 200 натуральных и синтетических пигментов красного цвета, но у всех них есть проблемы с безопасностью, устойчивостью, насыщенностью, непрозрачностью. Пигмент красный 254 (известный также как «красный Ferrari»), например, безопасен и популярен, но он создан на основе углерода, поэтому выцветает на солнце и при дожде.

Есть устойчивый, нетоксичный и долговечный пигмент красного цвета: он использовался в рисунках, найденных в пещерах палеолита. Однако он недостаточно яркий.

Новый пигмент может стать источником дохода, ежегодно исчисляемого миллионами долларов, для разных индустрий: от производства пластика до косметики и автомобилестроения. Например, наиболее коммерчески успешный пигмент синего цвета — фталоцианин — используется при производстве теней для век, гелей для волос и даже вагонов британских поездов.

Однако YInMn ещё не принёс своему создателю богатства. Пигмент должны одобрить разные инстанции, его нужно поставить на производство — и только после этого он сможет выйти на рынок. А пока что Субраманьян ищет производное соединение от YInMn, которое поможет создать новый пигмент красного цвета и заменит «красный Ferrari», приносящий доход в $300 млн в год.

Цвета — это зрительное ощущение света, который преломляется, рассеивается или отражается от атомов объекта. Современные компьютеры могут отображать около 16,8 млн цветов, намного больше, чем может различить человеческий глаз или напечатать принтер. Чтобы цифровой или воображаемый цвет стал осязаемым, нужен пигмент. Однако проблема в том, что не каждый пигмент подойдёт для всех материалов.

Этот факт накладывает ограничения на разнообразие пигментов, доступных для разных индустрий. Например, диоксид титана используется для производства двух третей современных пигментов. Эта индустрия оценивается приблизительно в $13,2 млрд. Белизна линий на дорогах, зубной пасты и сахарной пудры на пончиках — заслуга диоксида титана.

Чтобы получить другие цвета, всегда приходилось использовать опасные неорганические элементы или соединения: свинец, кобальт или даже цианид. В последние годы благодаря постановлениям, регулирующим здравоохранение и состояние экологии, производители вынуждены использовать более безопасные органические пигменты. Этот ведёт к открытию новых пигментов чёрного, жёлтого, зелёного цветов. Но синий — это отдельная история.

Субраманьян не искал новый пигмент. Он и группа исследователей искали мультиферроики, материалы с электрическими и магнитными свойствами, которые можно использовать в компьютерах. Смешав разные вещества и нагрев полученную смесь, учёные получили химикат необычного синего цвета.

Оттенки синего цвета часто встречаются в природе, но этот цвет сложно воссоздать человеку. Например, во времена эпохи Возрождения ультрамарин мог быть дороже золота, а современный синтетический пигмент (берлинская лазурь) был открыт только в начале 18 века немецким химиком, пытавшимся создать пигмент красного цвета.

Субраманьян с коллегами начали тестировать полученное соединение: они обнаружили, что оно не растворяется в кислоте, не инертно, устойчиво и нетоксично. Новый пигмент превосходил другие пигменты синего цвета по разным показателям. Оказалось, что YInMn также обладает теплоотражающими свойствами.

Субраманьян опубликовал исследование, в котором описывал свойства YInMn, и запатентовал своё изобретение. Это исследование привлекло внимание разных компаний.

Согласно Ceresana, организации, занимающейся анализом рынков, пигменты — это индустрия, оцениваемая в $30 млрд. Её возглавляют такие гиганты, как Lanxess, BASF, Venator и Chemours. Высокоэффективные пигменты — наиболее насыщенные, устойчивые и долговечные — быстро развивающийся сегмент рынка. Спрос растёт, так как производители постепенно отказываются от пигментов, созданных на основе свинца.

Безопасный, прочный, экологичный синий цвет должен быть невероятно прибыльным. Этот цвет используется в таких брендах, как IKEA, Ford, Walmart и Facebook. Синий цвет повсюду.

Компании, которые звонили Субраманьяну, планируют использовать YInMn для разных целей. Представители HP хотели узнать, можно ли использовать этот цвет в типографской краске. Chanel интересовалась его свойствами, полезными для косметики. Merck спрашивала об уходе за кожей. Nike было любопытно, можно ли использовать YInMn в кожаных кроссовках для охлаждения ног.

Продавцы пигментов также были заинтересованы. Shepherd Color Company получила лицензию на использование патента в 2015 году. В прошлом сентябре, спустя восемь лет после изобретения YInMn, Агентство по охране окружающей среды США одобрило продажу YInMn для производства промышленных покрытий и пластика. Shepherd быстро вышла на рынок с новым продуктом. Однако этот рынок ограничен из-за высокой цены на YInMn, который содержит индий.

Высокая цена не означает большую выручку. Применение YInMn в других индустриях и понижение цены возможны только после того, как исследователи найдут способ заменить индий, не уменьшая насыщенность синего цвета.

Хотя Субраманьян не получил денег со своего патента, YInMn вдохнул в его карьеру новые силы. Его патент — это не только пигмент синего цвета. Настоящее изобретение Субраманьяна — кристаллическая структура материала, имеющего тригональную бипирамидальную модель атомов.

Марганец придаёт веществу синеватый оттенок: в зависимости от его количества в соединении можно сделать оттенок светлее или темнее. Но из экспериментов Субраманьяна видно, что структура также может поглощать (и отражать) другие цвета. Это открытие подобно потайной двери в шкафу.

Вначале исследователи думали, что уменьшение индия поможет получить пигмент красного цвета. Однако всё оказалось не так просто. Изменение расстояния между атомами может привести, например, к тому, что материал станет серого цвета.

Новый пигмент красного цвета может стать дешевле благодаря уменьшению содержания индия или его замене другим веществом. В конце 1990-х годов немецкие исследовали создали один из самых многообещающих пигментов красного цвета за последние десятилетия.

Однако спрос и цена различались настолько сильно, что все надежды рухнули. В состав пигмента красного цвета входит вредный для окружающей среды кадмий, который немецкие учёные постарались заменить на перовскит (редкий и, как следствие, дорогой минерал), поэтому новый пигмент так и не вышел на рынок.

Перед Субраманьяном стоит задача создать пигмент, не содержащий кадмий, синтетические красители и кармин, который получают из толчёных насекомых. Хотя красный цвет не настолько распространён, как синий, он ассоциируется с храбростью, обольщением и радостью, поэтому считается коммерчески значимым цветом во всём мире. Красные машины составляют только 8% от общего числа автомобилей, однако этот цвет преобладает в дорогих спорткарах.

Что касается исследования пигментов, то сложность заключается в том, что даже после наиболее щепетильно и скрупулёзно продуманного плана невозможно предсказать, что получится в итоге. Ища мультиферроики, Субраманьян нашёл новый пигмент. Возможно, в поисках пигмента красного цвета он найдёт новый мультиферроик.