У нас никогда ещё не было по-настоящему безопасного, стабильного и яркого красного пигмента. Его изобретение может начаться с YInMn, первого голубого пигмента, созданного за два столетия
Мас Субраманьян, крупнейшая звезда в малоизвестном мире исследования пигментов, смотрит на скопище банок с широким горлышком, содержащих порошки всех цветов радуги, за исключением одного. Тут есть оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. «Мы близки к цели», — оптимистично говорит он. И указывает на банку с красно-коричневой пылью, дымчатой и с оттенком, напоминающим паприку. Симпатичный цвет, но не тот, что он ищет.
За девять лет его временного пребывания в изощрённом мире цветов, Субраманьян, профессор материаловедения из Орегонского университета в Корваллисе, был полностью очарован миром химии, который он, как и многие его коллеги, ранее считал низкотехнологичной областью. Известность он получил благодаря случайному созданию нового пигмента в 2009 году, субстанции, способной придавать цвет другому материалу. YInMn синий (читается «йинмин») – смесь иттрия, оксида индия и марганца, элементов периодической таблицы, которые, будучи собранными вместе, порождают нечто уникальное. YInMn стал первым синим пигментом, открытым за более чем 200 лет.
Цветовую индустрию поразила не только экзотическая синева пигмента, но и другие оттенки, которые он способен выдавать. Субраманьян вскоре понял, что, добавив медь, можно сделать зелёный пигмент. Добавив железо – оранжевый. Цинк и титан – приглушённый пурпурный.
Изучая свои творения, рассеянные по верстаку, будто свидетельства кутежа Вилли Вонка, он хмурится. «Мы изготавливали другие цвета, — говорит он, — но не нашли красного».
Миру не хватает идеального красного цвета. И всегда не хватало. Мы перебивались всякими вариантами, от токсичных до неприятных. Гладиаторы мазали лица вермильоном, красителем на основе ртути. Тициан рисовал при помощи минерала реальгар, содержащего мышьяк. Красная форма британской армии создавалась при помощи красителя, добываемого из жука "мексиканская кошениль". Несколько десятилетий красные кубики Лего содержали кадмий, оказавшийся канцерогеном.
На сегодня существует более 200 природных и искусственных красных пигментов, но у каждого из них есть проблемы с безопасностью, стабильностью, цветностью и непрозрачностью. Пигмент красный 254, он же «красный Ferrari», к примеру, популярен и безопасен, но основан на углероде, из-за чего тускнеет под дождём или на жаре. «Нам находиться на солнце противопоказано», — говорит Нарайян Хандекар, директор гарвардского Центра Страуса по консервации и техническим исследованиям, и куратор коллекции пигментов Forbes. «То же верно для большинства органических систем». Один красный пигмент стабилен, нетоксичен и вечен: оксид железа, или красная охра, красноватая глина, которую находили ещё в наскальной живописи Палеолита. «Но он не такой яркий, как нужно людям», — говорит Хандекар.
Новый пигмент может ежегодно приносить сотни миллионов долларов, влияя на все категории продуктов, от пластика и косметики до машин и строительства. Наиболее коммерчески успешный голубой пигмент, фталоцианин, можно найти в тенях для глаз, геле для волос и даже на вагонах британских железных дорог. Синий пигмент Субраманьяна, вроде бы, превосходит его, но это не значит, что он сделал учёного богачом. То, что началось в виде научного изыскания, обнаружило целый набор новых проблем, связанных с одобрением YInMn, его производством и выводом на рынок.
Запустив этот процесс, Субраманьян, будучи больше учёным, чем генеральным директором, теперь охотится за настолько же безопасным, неорганическим красным цветом, происходящим от YInMn – чем-то таким, что сможет оставить красный Ferrari, приносящий по $300 млн ежегодно, далеко позади. Марк Райан, маркетинговый менеджер компании Shepherd Color Co., расположенной в Цинциннати, говорит, что тот, кто сможет найти такой красный цвет, «сможет уже не выходить на работу на следующий день».
Субраманьян, узнав об обещаниях Райана, усмехается. «А я бы всё равно ходил на работу, — говорит он. – Мне нравится то, что я делаю».
Субраманьяну 64 года, он небольшого роста, немного полноват, и носит тёмные усы, загибающиеся вниз по углам рта. Он вырос в городе Ченнаи [бывш. Мадрас / прим. перев.], расположенном на юго-восточном побережье Индии, и его страсть к тому, из чего состоят предметы, родилась при изучении прекрасных ракушек, которые море выбрасывало на берег. «Как природа делает такие вещи?» – задавал он себе вопрос. И лишь много позже он стал задавать вопросы о том, как ракушки обретают свой цвет.
Технически говоря, цвета – зрительное восприятие цвета, который преломляется и рассеивается, или отражается от атомного состава объекта. Современные компьютеры способны демонстрировать 16,8 млн разных цветов – это гораздо больше, чем могут видеть люди или напечатать принтеры. Чтобы превратить цифровой или придуманный цвет во что-то осязаемое, требуется пигмент. «Допустим, вы придумали прекрасный голубой цвет», — говорит Лори Пресман, вице-президент Института цвета Pantone, помогающего компаниям в разработке цветовых стратегий, касающихся брендов и продуктов. «Но можете ли вы реально сделать такой цвет, и нанести его на бархат, шёлк, хлопок, вискозу или мелованную бумагу?»
«Дело не только в цвете, — добавляет она. – Дело в химическом составе цвета. Можно ли на самом деле реализовать этот состав в материале, на который вы хотите его нанести?»
Эти особенности ограничивают набор пигментов, доступных для одежды, строительства, технологий и других индустрий. Один-единственный оксид титана занимает почти две третьих международного рынка пигментов; он оценивается в $13,2 млрд и отвечает за свежую белизну линий разметки на дороге, зубной пасты и пончиков в пудре. Исторически получение других цветов было связано с включением опасных неорганических элементов или веществ – свинца, кобальта или даже цианида. В последние годы правила, связанные со здоровьем и окружающей средой, породили активный сдвиг в сторону более благоприятных органических пигментов, в результате чего исследователи открывают множество новых чёрных, жёлтых и зелёных цветов. Но голубой – это совершенно другое дело.
Субраманьян вошёл в анналы пигментных изысканий, хотя сам не искал пигмент и даже не смешивал ингредиенты, которые могли бы породить какой-то определённый цвет. Он со своими коллегами занимался электроникой – конкретно, мультиферроиками, материалами, одновременно поляризованными как магнитно, так и электрически, что может быть полезным для создания вычислительных машин. Иттрий выглядит, как тусклый белый, оксид индия – чёрный, а марганец – желчно-жёлтый. Эндрю Смит, один из аспирантов под руководством Субраманьяна, измельчил их до серого цвета, поместил смесь на тарелочку и засунул в печку при температуре 1200 °C. Через двенадцать часов из печки достали глубокий, энергичный, пьянящий синий. Он был настолько ярким, настолько удивительным, что казался почти внеземным – свежайшей венерианской голубикой, очищенной, отполированной и светящейся изнутри.
«Что, чёрт возьми, произошло?» – спросил Субраманьян, когда увидел его.
«Я сделал ровно то, что вы просили!»
«А вы уверены, что приготовили всё правильно?»
«Да».
«Давайте попробуем ещё раз».
Субраманьян кое-что знал об открытиях. Получив степень доктора по химии в Индийском технологическом институте в Мадрасе, он провёл три десятилетия, исследуя химию твердотельных материалов в компании DuPont Co., по сути, изучая состав всего, что не было жидкостью. Он зарегистрировал 54 патента, в основном связанных со сверхпроводниками, термоэлектрическими материалами, и другими эзотерическими темами, интересными только узкому кругу химиков, занимающихся электроникой. Ничего красочного. Но Субраманьян понял, что тут произошло нечто интересное.
Он связался с коллегами из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Вы должны это видеть, чтобы поверить», — сказал он. Они не разделили его факультативных восторгов.
Разные концентрации марганца дают разные оттенки и плотности цвета
«В жизни я не видел такого цвета, — вспоминает он. – Я делал так много оксидов. Сверхпроводники всегда чёрные, коричневые, иногда жёлтые. Такого я никогда не делал». Это как если бы он скрестил помидоры с луком и получил дыню. «Я постоянно волновался – реально ли это, или мне снится?»
Синий – один из наиболее часто встречающихся в природе цветов, но оказалось, что его очень сложно создать человеку. Когда древние египтяне пытались воспроизвести глубокий, океанский оттенок ультрамарина для украшения гробниц, папирусов и рисования, они получали бирюзовый цвет. В эпоху Ренессанса ультрамарин мог стоить дороже золота, поскольку лазурит, из которого делали этот пигмент, добывали в далёком Афганистане. (И, тем не менее, Микеланджело сумел получить его достаточно, чтобы разрисовать потолок Сикстинской капеллы.) Первый современный синтетический пигмент, берлинская лазурь, смесь гексацианоферратов, была открыта только в начале XVIII века немецким химиком, пытавшимся создать красный цвет. С тех пор во многих распространённых синих пигментах (лазурный, полуночный, аквамарин, смальта) содержались следы кобальта, который, вероятно, канцерогенен.
Субраманьян и Смит начали проверки своей смеси, окуная её в кислоту. Им понравилось, что она не растворилась. YInMn также оказался инертным, нетускнеющим и нетоксичным. Он был более надёжным, чем ультрамарин и берлинская лазурь, безопаснее кобальтовой сини, светлее фталоцианиновой сини, темнее, чем викторианский синий. Он неплохо отражал тепло, что вероятно, позволило бы объекту, покрытому таким красителем, оставаться холодным под солнцем. Субраманьян поставил два деревянных скворечника под парой ламп на столе в офисе. Крыша одного из них была покрашена пополам чёрным оксидом хрома и кобальтовой синью; другого – чёрным, смешанным с YInMn синим. Скворечник, окрашенный YInMn, оставался на 55 градусов [°F; порядка 11 °C / прим. перев.] холоднее другого.
Субраманьян написал научную работу с описанием своего синего пигмента, и опубликовал её в журнале Journal of the American Chemical Society, а затем подал заявку на патент (№ 8,282,728, октябрь 2012). То, что он стал отцом нового типа синего пигмента, привлекло к нему внимание СМИ, а затем и корпораций. Субраманьян был удивлён интересом и быстро обратился за новыми грантами от правительства. «Я думал, что в этой области всё уже известно, — говорит он. – Кто бы дал мне денег на исследования пигментов?»
Смешивание иттрия, индия и марганца для получения YInMn
Но на карту было поставлено больше, чем он думал. Исследовательская компания Ceresana оценивает объём индустрии пигментов в $30 млрд, во главе которой стоят такие крупные химические компании, как Lanxess, BASF, Venator (ответвление Huntsman), и Chemours (ответвление DuPont). Лучшие пигменты – наиболее яркие, стабильные и надёжные – представляют собой быстрорастущий сегмент рынка, и отвечали за шестую часть его объёма в 2016 году, согласно исследованию Smithers Rapra Ltd. Спрос на пигменты растёт, поскольку красители на основе свинца постепенно исчезают, а новые рынки используют красители в индустриальных и строительных целях.
Безопасный, надёжный, безвредный для окружающей среды синий пигмент обязан быть чрезвычайно прибыльным. Это, с большим отрывом, любимый цвет американцев, согласно Пресман из Института цвета Pantone. «Синий – это концепция надежды, обещаний, надёжности, стабильности, спокойствия и уверенности, — говорит она. – Мы считаем, что это цвет постоянства и правды. Это один из наиболее привлекательных и комфортабельных цветов». Синий – основной центр таких марок, как Ikea, Ford, Walmart и Facebook. Он встречается на полках холодильников, на стенах и одежде. Две третьих команд высшей бейсбольной лиги носят униформы с синим цветом. Синий цвет можно встретить везде.
У звонивших Субраманьяну компаний было множество идей по поводу YInMn. HP хотела знать, можно ли сделать из него чернила. Chanel интересовалась его использованием в косметике. Merck – по поводу ухода за кожей. Nike интересовалась, можно ли использовать его для окраски кожи спортивной обуви, чтобы ноги оставались прохладными. Субподрядчики компаний, работавших над робомобилями, считали, что отражающие способности YInMn могут улучшить работу сенсоров.
Заинтересовались и торговцы пигментами. Shepherd Color Co. отправила своих представителей в Орегонский университет уже через неделю после публикации работы, а потом провела два года, проверяя YInMn на влияние на окружающую среду, соответствие нормативам и стоимость. Следующий шаг – лицензирование. Патент принадлежал Субраманьяну, но университету полагались отчисления, поскольку открытие было совершено в лаборатории, ему принадлежащей. Эксклюзивную лицензию в 2015-м получила Shepherd, и сразу начала готовиться к производству партий по полтонны для рынка, который, с её точки зрения, был самым ценным: индустриальные покрытия сайдинга и крыш. В прошлом сентябре, через восемь лет после открытия Субраманьяна, Агентство по защите окружающей среды США, наконец, одобрило YInMn для коммерческого использования для индустриальных покрытий и пластика. Shepherd быстро вышла на рынок.
Следующим естественным шагом для компании была подача заявки на включение в список контроля за токсичными субстанциями, которое бы позволило применять краситель везде – потенциально и в тех случаях, которыми интересовались Nike и другие. Но пока Shepherd не подавала такой заявки. Пока что иные выходы на рынок YInMn совершал при помощи компании Crayola LLC, чей первый новый карандаш за десятилетие, Bluetiful, предположительно был «вдохновлён» YInMn – Shepherd не сообщает, платит ли компания отчисления – и Derivan, австралийской компании-производителя красок, превратившей этот пигмент в акриловую краску, которую она предлагает на пробу художникам в нескольких розничных магазинах.
Рынок, доступный Shepherd, ограничен высокой стоимостью пигмента, обусловленной стоимостью индия, металла, в основном использующегося в производстве прозрачных, тонких и проводящих слоёв сенсорных экранов смартфонов. Для этих целей он должен быть чрезвычайно чистым, что вкупе с высоким спросом означает его стоимость в $720 за кг в конце 2017 (марганец стоит $1,74). В результате YInMn у Shepherd стоит $1000 за кг, и является наиболее дорогим пигментом. Райан, менеджер Shepherd по маркетингу, шутит, что если только метеор из индия не упадёт где-нибудь на юго-западе Огайо, стоимость так и останется высокой.
Но это не означает, что на нём нельзя заработать. Джеффри Пик, менеджер по исследованиям и развитию из Shepherd, говорит, что YInMn и другие сложные неорганические пигменты служат наиболее надёжными позициями среди товаров компании. В качестве краски им можно дать гарантию до 50 лет – а это стоит инвестиций в металлическую кровлю или фасады для небоскрёбов. Другие применения и цены пониже появятся не раньше, чем исследователи из Shepherd или Орегонского университета смогут заменить индий, не ухудшая синий.
Медленный ход проверок и утверждения регуляторами, отчисления юристам и прочие расходы на лицензирование означают, что спустя почти девять лет после открытия, Субраманьян ещё не видел никаких отчислений. И всё же, YInMn оживил его карьеру и задал ей новое направление. «Если мы сможем создать красивый красный пигмент, стабильный и нетоксичный, он станет большим хитом, — говорит он. – Я на это надеюсь».
Патент № 8,282,728 в принципе представляет собой нечто гораздо более ценное, чем сам по себе YInMn. Там лишь мельком упоминается «насыщенный синий цвет». Истинное изобретение Субраманьяна – это кристаллическая структура (организация атомов) материала под названием тригональная бипирамидальная согласованность. Марганец придаёт синий цвет, и регулируя его пропорцию в смеси, можно делать оттенок светлее или темнее. Но, как демонстрируют банки Субраманьяна с лиловым и болотно-зелёным цветом, эта структура способна поглощать (и отражать) другие цвета. Это открытие было подобно обнаружению потайной двери в книжной полке.
Джун Ли, младший исследователь в лаборатории Субраманьяна, говорит, что они сначала подумали, что просто уменьшая количества индия, можно будет добиться красного цвета. Но всё оказалось не так просто. Большинство красных красителей – полупроводники, и для сохранения их проводимости требуются разные трюки. Один из подходов – регулировка расстояния между атомами смеси, что изменяет энергию поглощения электронов, на которые падает свет, из-за чего состав поглощает синий цвет и отражает красный. Но такой подход может с тем же успехом вернуть материалу его изначальный светло-серый цвет. «Можно попытаться предсказать результат, — говорит она. – Но точно не узнаешь».
Уменьшение пропорции или замена индия сделали бы новый красный краситель дешевле (и потенциально привели бы к варианту YInMn синего без индия). Неспособность сопоставить стоимость и спрос потопили наиболее многообещающий красный краситель последних десятилетий, насыщенный оттенок, открытый в конце 1990-х двумя немецкими исследователями. Они искали замену кадмию, природному тяжёлому металлу, присутствующему в земной коре. В красках кадмий давно считается безопасным и надёжным; его яркость оживляла работы Моне, Ван Гога и Мунка. Но он приобрёл дурную славу из-за способности просачиваться в окружающую среду с производства и загрязнять съестные припасы. Исследование 1997 года обнаружило следы кадмия в детских рюкзаках, игрушках и наушниках. (После этого этот металл находили в фирменных украшениях от Майли Сайрус и сиденьях стадиона Хайбери, бывшего домашнего стадиона «Арсенала»).
Красный пигмент немецких исследователей вместо кадмия использовал перовскиты (CaTaO2N и LaTaON2). В статье журнала Nature в 2000 они заявили, что неорганический краситель кажется «многообещающей заменой» цветов на основе кадмия. Но смесь оказалась слишком дорогой для оптовых продаж (а для её производства требовался токсичный газ аммиак), поэтому она так и не вышла на коммерческий рынок.
Евросоюз думал над запретом продаж красителей на основе кадмия, но перед давлением групп художников решил этого не делать. Как и комиссия США по безопасности потребительских продуктов, рекомендовавшая «приемлемое ежедневное потребление» кадмия после петиций, ратовавших за его регулирование. Сейчас кадмий находится на седьмом месте в списке из 275 опасных веществ, составленном Агентством токсичных веществ и заболеваний (кобальт – на 51-м).
Для Субраманьяна успех означал бы открытие красного пигмента, способного заменить не только кадмий, но и синтетические красители. Среди них — «естественный красный 4», безопасный для потребления с точки зрения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, но недолговечный в виде краски, и кармин, пигмент, выделяемый из насекомых, привлекший внимание организации PETA (Люди за этичное отношение к животным). Вы дважды подумаете перед тем, как покупать сделанную на его основе помаду.
Красный может и не быть любимым цветом американцев, но это цвет смелости и соблазнения, радости и революции, и он остаётся важным для всего мира с точки зрения культуры и коммерции. Пресман говорит, что это самый смелый цвет, кроме чёрного, он проецирует власть и авторитет (хорошие качества для знаков «стоп»). Красные машины составляют всего 8% автомобильного населения, но денег на этом можно заработать достаточно, особенно учитывая распространённость этого цвета среди ярких и дорогих спортивных машин.
Субраманьян хочет сделать красный, который заменит существующие, но будет настолько безопасным, что сможет находиться на полках магазинов без всякой маскировки. «Я иду в строительный магазин и вижу только номера цветов, — говорит он. – Никто не знает, что там с точки зрения химии. Удивительно. Мы принимаем это, как само собой разумеющееся. Мы видим цвет, и говорим, „Ладно, он, наверно, образован пигментом“. Но никто не знает, что на самом деле стоит за этим цветом».
На обеде в пабе на той улице, где расположена его лаборатория, Субраманьян упоминает недавнее путешествие, которое он совершил вместе со своей женой, художницей, в Нью-Йорк. «Мы пошли в музей Гуггенхайма, — говорит он. – Я раньше ненавидел ходить по музеям. Я бы попросил её сходить одной, а сам бы пошёл в ближайший университет, в гости к департаменту химии». Но в этой поездке он остановился перед "Синей горой" Василия Кандинского, и долго глазел на ультрамарин, использованный для изображения приковывающей внимание горы. «Удивительно, насколько он изменил мою жизнь», — говорит Субраманьян про YInMn.
Стены паба окрашены в неяркий, ржавый красный цвет. Он со знанием дела бросает вокруг взгляд, говорящий о том, что он не впечатлён. «Оксид железа, — говорит он. – Определённо».
Четыре диска с YInMn после запекания. В диске в центре содержится спрессованная смесь до запекания.
Он снова признаётся в том, что его не беспокоит отсутствие денежных отчислений с YInMn. Он гордится тем, что его 57-й патент в карьере, пусть и не особенно осязаемый, зато хотя бы примерно понятен среднему человеку. В аэропорту недавно к нему подошёл незнакомый человек, узнавший в нём изобретателя нового цвета, и спросил: «Очень красивый синий цвет. Как вы на него наткнулись?»
Трудность в исследовании красителей состоит в том, что даже после очень тщательного планирования и выстраивания стратегии, вы всё равно не можете быть уверены в том, что сделали, до тех пор, пока не откроете дверцу печки. Субраманьян искал электронику, а наткнулся на новый синий. Возможно, в поисках нового красного, шутит он, он наткнётся на какую-нибудь новую электронику.
По крайней мере, на этот раз у него есть чёткая отправная точка и чувство направления исследований. В лаборатории он поднимает банку с жжёным оранжевым цветом. На вопрос, придаёт ли эта банка ему уверенности в том, что он найдёт свой красный, учёный улыбается.
«Нет, — отвечает он. – Мы лишь движемся по направлению к нему».
