Magisch blauw: onderzoekers ontwikkelen kleurstoffen die door de schedel heen gloeien

De Egyptenaren vonden de kleur blauw uit. Dit wordt gesuggereerd door oude blauwe glaskralen. Deze werden gevonden in een graf dat dateert uit ongeveer 3300 tot 3500 v.Chr. Later werd het pigment ook aangetroffen in hiërogliefen: deze werden bijvoorbeeld in de piramide van Oenas in Saqqara gegraveerd en met het pigment gevuld. De farao's hadden blijkbaar een onverzadigbare vraag naar zogenaamd "Egyptisch blauw". Volgens schattingen hadden ze ongeveer 1,4 ton nodig om één tempel te decoreren.

De oude Romeinen noemden het pigment "caeruleum", wat in het Latijn "kleur van de hemel" betekent. Het oudste geregistreerde recept voor de productie ervan is afkomstig van een architect genaamd Vitruvius. Hij schreef het ongeveer 30 jaar voor het begin van onze jaartelling op: "Zand en zout worden zo fijn gemalen dat er een meelachtig product ontstaat. Koper wordt over het mengsel gewreven met grove vijltjes, net als zaagsel."

Vervolgens moesten de ballen met de hand worden gevormd en in aarden vaten in een hete oven worden geplaatst. "Zodra het koper en het zand zich onder de intensiteit van het vuur verenigen, absorberen ze elkaars zweet," vervolgde Vitruvius. "Daardoor verliezen ze hun vroegere eigenschappen en krijgen ze een blauwe kleur."

Zonder deze enorme inspanning was blauw onbereikbaar. Het hemelkleurige pigment gaf fresco's en mozaïeken schitterende blauwtinten, die men tevergeefs zou zoeken in de vroege steentijdschilderingen op de grotwanden van Lascaux of Altamira. Destijds moest men het doen met wat er voorhanden was: oker en houtskool. Blauwe kleurstoffen behoorden daar niet toe, omdat ze zeldzaam zijn.

Dit komt doordat het pigment blauw licht moet reflecteren en tegelijkertijd rood licht moet absorberen. Rode stralen zijn echter de stralen met de langste golflengte in het zichtbare spectrum – en hebben daarom de laagste energie. "Om dergelijke stralen te absorberen, zijn moleculen met speciale elektronenovergangen nodig", zegt Robert Nissler van ETH Zürich. In Egyptisch blauw en andere blauwe of violette minerale pigmenten vervullen koperionen deze taak. "Zij zijn de lichtgevende centra in het kristalrooster", zegt Nissler.

De nanowetenschapper heeft samen met collega's van de Universiteit van Zürich, Empa en Duitsland een geavanceerd productieproces ontwikkeld om fundamenteel nieuwe kleurpigmenten te creëren. Het nieuwe blauw kan een belangrijke rol spelen in onderzoek naar beroertes en bij het monitoren van de duurzaamheid van vervangende gewrichten, zo melden de onderzoekers. in het vaktijdschrift «Advanced Materials » .

Het was echter slechts marginaal over de kleur blauw. Hun interesse richt zich op een ander aspect dat archeologen bijna 30 jaar geleden voor het eerst opmerkten: Egyptisch blauw absorbeert niet alleen rood licht, maar straalt ook een aanzienlijk deel van de opgevangen energie terug in het onzichtbare infrarood. Het chemisch nauw verwante "Han-blauw" uit het oude China heeft deze eigenschap ook. Dit betekent dat de oude kleurstoffen oplichten.

Hierdoor zijn ze gemakkelijk te detecteren met instrumenten die infraroodstraling zichtbaar maken – zonder de kostbare oude vondsten te beschadigen. In hun artikel beschrijven de onderzoekers ze als "optisch actieve" moleculen. "De infraroodstraling is wat deze kleurstoffen zo bijzonder en uniek maakt", aldus Nissler.

Op het grensvlak tussen licht en materie beïnvloeden zelfs de kleinste veranderingen in de omgeving van de koperionen de blauwe tint en de infrarode gloed. Zo bevat het iets lichtere Egyptische blauw extra calciumionen, terwijl het iets violettere Han-blauw iets grotere bariumionen bevat, waardoor het kristalrooster enigszins vervormd wordt.

Om de nieuwe kleurpigmenten te produceren, gebruikten de experts naar een proces dat pas twintig jaar bestaat. Hoewel de methode zeer modern is, lijkt het een waar alchemistisch kleurenspel: bij de zogenaamde vlamsynthese worden groene sappen omgezet in blauw of violet poeder.

In een eerste stap lossen de onderzoekers aardalkalimetalen zoals calcium, barium of strontium op in organische oplosmiddelen. Vervolgens injecteren ze deze groene vloeistoffen in een vlam die verhit is tot enkele duizenden graden. Door deze hitte verdampen de oplosmiddelen onmiddellijk.

Wat overblijft zijn de aardalkalimetalen, die op het filter boven de vlam samenklonteren tot minuscule, blauwgroene korrels. Deze klontjes, ongeveer 30 nanometer groot, worden vervolgens tien minuten in een oven geplaatst die is verhit tot ongeveer 1000 graden Celsius. Daar vormen zich uiteindelijk de mineralen – en ontstaan ​​de kristallijne, blauwe of violette pigmenten.

In tegenstelling tot conventionele productieprocessen maakt vlamsynthese het mogelijk om de verschillende aardalkalimetalen in het pigment vrijwel willekeurig te combineren, legt Nissler uit. De onderzoekers hebben op deze manier tientallen nieuwe kleurstoffen geproduceerd. Zijn favoriete tint – een "bijzonder intens donkerblauw" – ontstaat door gelijke delen barium en strontium te combineren, aldus de nanowetenschapper.

In hun onderzoek hebben de experts het productieproces verder verfijnd en ontdekt dat bijvoorbeeld de oventemperatuur en de tijd die in de oven wordt doorgebracht, de kleur van de resulterende pigmentkristallen bepalen. De frequenties waarmee de pigmenten in het infrarood oplichten, zijn ook afhankelijk van deze parameters.

Hoe helderder en langer de golflengte van het infraroodlicht, hoe beter. Dit komt doordat er vanaf een golflengte van ongeveer 1000 nanometer een zogenaamd transparantievenster ontstaat: straling van deze golflengte dringt door in biologisch weefsel zonder te worden geabsorbeerd door rode hemoglobine of water. Hierdoor kan het aan de andere kant van het lichaam worden opgevangen en gebruikt voor beeldvorming.

In feite zijn de experts ontdekten een mengsel van de drie metalen waarmee ze "ultraheldere" pigmenten produceren die precies op de gewenste golflengte oplichten. "Met de nieuwe methode hebben we een materiaal geproduceerd dat tien keer helderder oplicht dan de huidige beschikbare pigmenten", aldus Nissler.

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het nieuwe materiaal gebruikt kan worden als contrastmiddel. Ze losten de pigmenten op in water en injecteerden deze in het bloed van muizen. De kleurstof gloeide door de intacte schedels van de muizen. Met behulp van infraroodcamera's konden de onderzoekers niet alleen precies observeren waar de bloedvaten in de hersenen lopen, maar ook hoe snel het bloed erdoorheen stroomt.

Dergelijke informatie is belangrijk voor onderzoek naar beroertes, legt Nissler uit. Het zou informatie kunnen opleveren over hoe snel de bloedstroom weer normaal wordt nadat een stolsel is opgelost, waardoor de blokkerende plug is verwijderd. Nissler heeft ook een andere mogelijke toepassing in gedachten. De deeltjes zouden bijvoorbeeld kunnen worden toegevoegd aan keramische heup- of knieprothesen. Als kleine deeltjes door slijtage losraken van de prothese, zouden chirurgen deze gemakkelijk kunnen detecteren en verwijderen met behulp van infraroodcamera's.

Deze opties zijn nog ver weg. Voorlopig willen de experts – met een groep bij Empa die zich bezighoudt met nanotoxiciteit – testen hoe giftig de helderblauwe pigmenten zijn. Het zal waarschijnlijk nog wel even duren voordat de verdere ontwikkeling van Egyptisch blauw mensen met gezondheidsproblemen kan helpen. Maar na meer dan 5000 jaar is dit wachten niet echt belangrijk.

Een artikel uit de « NZZ am Sonntag »