Image
pinky en rosa edderkopp

Hvert hår av Pinkys overflate er dekket med fargestoff. Denne detaljerte fargeleggingen er mulig med teknikken ALD.

«Pinky» er ikke bare en rosa edderkopp

Da Per-Anders Hansen fant en død edderkopp i kjelleren på Kjemisk institutt, fikk han en idé. Han ville gjøre noe ingen har fått til selv om teknikken har eksistert siden 60-tallet.

Prosjektet startet med en fargejakt på google. Per-Anders Hansen er ikke kresen. For å finne stoffet med de riktige egenskapene har han bestilt fargestoffer i alle mulige varianter og forbindelser.

Fakta

Per-Anders Hansen er forsker ved Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) og Institutt for Energiteknikk (IFE). Ved SMN jobber han med å forbedre solceller ved blant annet å se på optiske egenskaper.

– De som designer fargestoffer til å lakkere en bil eller farge klær, tenker ikke på når stoffet fordamper, forklarer han.

Fargestoffet han leter etter skal nemlig ha to egenskaper: Det skal være en farge, og det skal la seg fordampe ved lav temperatur. Fargedesignerne fører ikke opp kokepunkt ettersom det stort sett er irrelevant. Derfor må Hansen teste alle stoffene han kommer over på egen hånd.

Oransje fargestoff ble løsningen

Ved en tilfeldighet kom han over fargestoffet quinizarin. Det er et oransje fargestoff som er gammelt og velkjent – og billig.

Da han skulle teste det, var hans første reaksjon:


– Oi! Nå har temperaturkontrollen fått en bugg!

Hansen prøvde å dampe stoffet flere ganger, og temperaturkontrollen viste det samme. Quinizarin viste seg å være akkurat det stoffet han lette etter. I tillegg hadde det mange kjemiske fordeler.

– Det er mulig å bølle mye med dette molekylet. Det er et enkelt molekyl å jobbe med og det fungerer som en slags grunnstein. Det er lett å lage mange mulige varianter av den og dermed endre egenskapene en god del.

Pannekakeproblemet

Quinizarin består av såkalte benzen-ringer, som er sekskantede karbon-forbindelser. Fra hver av hjørnene er det kjemisk mulig å hekte på andre ting, og det gjør stoffet veldig fleksibelt å jobbe med.

Allerede ved 130 grader fordamper den nok til at Hansen kan bruke teknikken ALD. ALD, eller atomlagsdeponering, er en teknikk som har eksistert siden 60-tallet. Så langt er det ingen som har klart å lage sammenhengende lag med så store molekyler som quinizarin.

Grunnen til det er at benzen-ringene i mange fargestoffer har en tendens til å legge seg som pannekaker oppå hverandre. Når de gjør det krever det høy varme å få dem fra hverandre, men den samme varmen gjør også at molekylene lett reagerer eller går i stykker. Det overrasket Hansen at quinizarin ikke klistret seg sammen i samme pannekakeformasjon.

En edderkopp er en ganske kompleks overflate

Den døde edderkoppen Hansen fant i skuffen sin var perfekt som forsøksdyr. Den skulle foreviges i fargestoffet han nettopp hadde funnet. «Pinky» ble lagt i vakuum over helgen for å bli fullstendig uttørket. Vann vil nemlig kunne reagere med noen av stoffene.

Deretter fikk Pinky lag på lag med quinizarin. Mellom lagene var det en aluminiumforbindelse. Denne forbindelsen tar tak i quinizarin-dampen og binder den ned på overflaten. Aluminiumforbindelsen er grunnen til at Pinky ble rosa, selv om quinizarin er et oransje fargestoff.

– Vi kan sannsynligvis lage flere farger enn rosa ved å bruke andre metallforbindelser mellom lagene, forteller Hansen.

Vanligvis dekker forskerne enkle overflater, som glassplater. Hansen ønsket å vise at ALD er den eneste metoden som kan dekke komplekse og skjøre overflater – slik som en edderkopp.

– Dersom du hadde dyppet en edderkopp i et malingsspann, ville den kommet ut som en klump. Hvis du spraymaler den er dråpene i denne malingen på størrelse med hårene til edderkoppen. ALD er den eneste metoden som bevarer strukturene i overflaten.

Forskeren Per-Anders Hansen studerer edderkoppen Pinky.
Per-Anders Hansen studerer edderkoppen Pinky.
Foto: Elina Melteig

Hårfine marginer

For den rosa overflaten til Pinky er bare 150 nanometer tykk. Det er omtrent en tusendel av et hårstrå. Det gjør at det fortsatt er mulig å se hvert hår på edderkoppens bein. Denne typen finfarging av noe så komplekst som en edderkopp har trolig aldri vært gjort før.

– Det viktigste med disse resultatene er at nå har vi et verktøy. Vi har ikke hatt noe stort molekyl som lar seg fordampe og lage en så tynn og samtidig heldekkende overflate med tidligere.

Denne metoden åpner opp for mange nye teknologiske muligheter, særlig innenfor optiske temperatur-sensorer (som typisk brukes i tyverialarmer eller røykvarslere) eller nanoelektronikk.

Selv jobber Hansen mest med det som kalles for lyskonvertering. Målet er å utnytte mest mulig av sollyset, og da trenger han fargestoff med spesielle egenskaper. Quinizarin er et godt steg på veien, men noe gjenstår likevel.

Vitenskapelig artikkel:

Per-Anders Hansen og Ola Nilsen: Quinizarin: a large aromatic molecule well suited for atomic layer deposition, Dalton Transactions, issue 24 2021