Mit Berechnung schneller zur Pigment-Faszination

Schon vor mehr als 30 000 Jahren haben unsere Vorfahren für ihre Felsmalereien die ersten primitiven Farben aus Naturmaterialien angemischt. Ruß, Eisenoxid und andere Mineralien dienten dabei als Pigmente, Fette als Bindemittel. Heute sind Pigmente dagegen High-Tech-Produkte. Mit großem Aufwand arbeiten Wissenschaftler daran, das komplexe Zusammenspiel von Kristallform, Morphologie und Farbe immer besser zu verstehen und dadurch Farbstoffe weiter zu optimieren.
Die dominierenden Wechselwirkungsmechanismen der im jeweiligen Anwendungsmedium fein verteilten Pigmente mit Licht beruhen auf Absorption und Streuung, wobei die Stärke dieser Effekte von der Teilchengröße des Pigments abhängt bzw. sich darüber steuern lässt. Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm streuen praktisch nicht mehr, ihre Färbungen erscheinen transparent. Pigmente dieser Art werden beispielsweise für Druckfarben oder in Metallic-Lacken eingesetzt.
Je nach Brechungsindex erreichen Teilchen ihr Streumaximum bei Größenordnungen zwischen 300 nm und 600 nm. Entsprechende Pigmente besitzen ein hohes Deckvermögen und werden für einfarbige Lacke oder zum Einfärben von Polymeren gebraucht. Bei organischen Pigmenten bestimmen sowohl die Eigenschaften des einzelnen Moleküls als auch seine Wechselwirkungen mit anderen im Kristallverbund die Lichtabsorption.
Die Beziehung zwischen Farbe und Struktur von Chromophoren, den für die Farbgebung verantwortlichen Molekülteilen, kann heute mit Hilfe quantenchemischer Methoden sehr exakt berechnet werden und stellt den ersten Schritt bei der Entwicklung von neuen Chromophoren dar. Vergrößert man etwa Rylen-Moleküle durch den Einbau weiterer polycyclischer Einheiten, erhält man eine Verschiebung vom sichtbaren in den infraroten Bereich. Solche neuen Farbmittel lassen sich zur Wärmedämmung einsetzen. Perylen-Pigmente sind auch ein besonders eindrucksvolles Beispiel für Farbänderungen, die mit der Festkörperwechselwirkung verbunden sind. Ihre Festkörperfarbe variiert je nach Substituenten von einem gelblichen Rot über neutrale und blaustichige Rottöne bis zu schwarz. In Lösung dagegen, wo der Kristalleffekt wegfällt, sind alle Perylene orange.
„Kennt man die Zusammenhänge zwischen Molekülstruktur und Kristallaufbau, lassen sich neue Materialien mit maßgeschneiderten Festkörpereigenschaften gezielt herstellen“, erklärt Dr. Peter Erk, im Farbenlaboratorium der BASF in Ludwigshafen für den Bereich Funktionale Festkörper zuständig. Von dieser Vision, als Crystal Design oder Crystal Engineering bezeichnet, träumen Chemiker schon lange. Allerdings fehlt immer noch das geeignete Werkzeug. Zur Berechnung einer Packung müsste der Kristall mit Molekülen einer gegebenen Form so „konstruiert“ werden, dass die Gitterenergie, die aus den Wechselwirkungen zwischen den Bausteinen resultiert, ein Maximum erreicht. Leider gibt es bis heute kein generelles mathematisches Verfahren zur Lösung des Problems.
Doch mittlerweile haben mehrere Arbeitsgruppen damit begonnen, diese Lücke zu schließen und Methoden auszuklügeln, mit denen Kristallstrukturen nur auf Basis der Zusammensetzung und Molekülstruktur ohne experimentelle Zusatzinformationen berechnet werden können. Die größte Herausforderung dabei ist, die Vielzahl der möglichen Kristallpackungen zu erfassen und daraus die physikalisch relevanten, realen Varianten herauszufiltern. Ein zweites wesentliches Ziel der Strukturberechnungen ist die Aufstellung hinreichend genauer Modelle als Grundlage für die Analyse von Röntgenbeugungsdiagrammen, die heute zur Standarduntersuchung kristalliner Pulver gehört. Besondere Bedeutung kommt ihr dann zu, wenn die Züchtung von Einkristallen nicht oder nur schlecht gelingt, wie es bei Pigmenten leider häufig der Fall ist.
Entscheidenden Einfluss auf die Funktionalität nahezu aller kristallinen Produkte hat auch die Morphologie. Diese äußere Form des Kristalls bestimmt die mechanischen, optischen und chemischen Eigenschaften. Für die Verarbeitbarkeit und die koloristischen Merkmale von Pigmenten sind das Benetzungs- und Adsorptionsverhalten der Kristallflächen entscheidend, für die Streuung die effektive Partikelgröße. Haften die Partikel aneinander, so streut dieses Agglomerat insgesamt, was eine Verschiebung des Farbtons und zudem den Verlust von Brillanz nach sich zieht. „Um diesem Effekt entgegenzuwirken, rüsten wir moderne Hochleistungspigmente mit Oberflächenmodifikatoren aus, die den Anziehungskräften zwischen den Primärpartikeln entgegenwirken“, sagt Dr. Gerhard Paul, Leiter des Zentralbereichs Farbenlaboratorium der BASF.
Um solche Mechanismen ebenso zu nutzen wie die Natur z.B. bei der Biomineralisation, braucht man genaue Kenntnisse über die Struktur der Kristalloberfläche. Dann können Moleküle ausgesucht oder entworfen werden, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip exakt zur Oberfläche passen und diese stabilisieren.
Computersimulationen von Kristallstrukturen und -morphologien, von Oberflächen- und Festkörpereigenschaften liefern der Pigmentforschung wichtige Einblicke in Aufbau und Dynamik von Festkörpern. „Wir nutzen das ganze Methoden-Spektrum, um unsere Produkte besser und schneller an die Herausforderungen neuer Märkte und Technologien anzupassen“, so Peter Erk. Inzwischen werden die Kenntnisse des Crystal Designs auch für andere Produktgruppen genutzt. Bei der BASF, die zu den größten Pigmentherstellern der Welt gehört, sind das insbesondere Vitamine, Wirkstoffe und Feinchemikalien.
K. JOPP
Von der Modellierung neuer Farbstoffe nur am Computer – hier die Kristallstruktur eines Perylen-Pigments – träumen Chemiker schon lange. Doch noch fehlt dafür das umfassende mathematische Werkzeug.