160 Grad Blickwinkel 31.10.2016, 10:13 Uhr

Ungiftig und haltbarer: Leuchtende Farben durch Nanotechnologie

Die Welt ist bunt und könnte bald noch viel bunter werden. Denn Wissenschaftlern unter Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es gelungen, Farben durch Nanostrukturen zu erzeugen, die unabhängig vom Blickwinkel ihre Farbe behalten. Das war bisher eine Domäne der Natur.

Blauer Pfau präsentiert sein farbenprächtiges Rad: Ein Beispiel für die dynamischen Farbeffekte der Natur.

Blauer Pfau präsentiert sein farbenprächtiges Rad: Ein Beispiel für die dynamischen Farbeffekte der Natur.

Foto: BS Thurner Hof

Die Farbigkeit der Dinge in unserer Welt entsteht in der Regel dadurch, dass die vom weißen Licht beleuchteten Oberflächen bestimmte Wellenlängen aus dem elektromagnetischen Spektrum absorbieren. Das reflektierte Licht bestimmt somit die Objektfarbe. Dabei geht immer ein beträchtlicher Anteil der Lichtenergie verloren. Besonders lebhafte und intensive Farben entstehen dann, wenn weißes Licht an Nanostrukturen gebeugt und reflektiert wird. Solche außergewöhnlich dynamischen Farbeffekte erzeugt die Natur gerne, um im Tierreich die Attraktivität der Geschlechtspartner für die Paarung zu steigern. Bekanntes Beispiel ist die Balz des Pfaus: Das Männchen schlägt ein Rad und präsentiert dem Weibchen seinen farbenprächtigen Federfächer.

Ungiftig, leuchtend und haltbar

Solche strukturell erzeugten Farben haben gegenüber den Farbpigmenten mehrere Vorteile: Sie sind ungiftig, leuchtender und haltbarer. Industriell hergestellte Strukturfarben haben allerdings einen Riesennachteil: Sie irisieren, das heißt, die vom Auge wahrgenommene Farbe hängt vom Blickwinkel ab. So wie wir das von der regenbogenbunte Reflexion bei CDs kennen.

Reflektierende CD.

Reflektierende CD.

Foto: Jens Schierenbeck/dpa

Der Grund dafür liegt in den Nanostrukturen. Regelmäßige Strukturen irisieren. Amorphe, also unregelmäßige Strukturen, erzeugen hingegen unabhängig vom Blickwinkel immer dieselbe Farbe. Amorphe Nanostrukturen industriell herzustellen ist aber wirtschaftlich nicht möglich.

Von der blauen Vogelspinne abgeschaut

Nun haben Wissenschaftler aus den USA und Belgien um Radwanul Hasan Siddique vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine interessante Entdeckung im Tierreich gemacht: Die blaue Vogelspinne irisiert nicht, obwohl auf ihren Haaren regelmäßige Nanostrukturen sitzen. Die Forscher beschreiben sie als eine mehrschichtige, blumenähnliche Struktur.

Die blaue Vogelspinne (Poeclotheria metallica) inspirierte Forscher zur Herstellung nicht irisierender struktureller Farben.

Die blaue Vogelspinne (Poeclotheria metallica) inspirierte Forscher zur Herstellung nicht irisierender struktureller Farben.

Foto: Tom Patterson

Mit Computersimulationen analysierten die Wissenschaftler das Reflexionsverhalten dieser Struktur und druckten sie im Nano-3D-Drucker als Modell aus. Nach einem gewissen Optimierungsprozess konnten sie eine Struktur herstellen, die sich am Blumenmuster der Spinne orientiert.

Die optimierte Blumenstruktur ist als 3D-Druck nur 15 Mikrometer groß, ein menschliches Haar ist etwa dreimal so dick.

Die optimierte Blumenstruktur ist als 3D-Druck nur 15 Mikrometer groß, ein menschliches Haar ist etwa dreimal so dick.

Foto: Bill Hsiung/Uni Akron

Diese erzeugt über einen Blickwinkel von 160 Grad die gleiche Farbe: Noch nie ist eine synthetische strukturelle Farbe mit einem derart großen Blickwinkel erzeugt worden.

Gewünschte Farbe ist über die Blumengröße einstellbar

Es ist ein mehrschichtiger Aufbau, der für eine gleichmäßige Intensität der Reflexion sorgt und so die unerwünschten Farbänderungen verhindert. Die gewünschte Farbe kann über die Größe der Blume eingestellt werden.

Die synthetisch erzeugte, von der blauen Vogelspinne inspirierte Blumenstruktur strahlt das Licht in gleicher Farbe über einen Blickwinkel von 160 Grad ab.

Die synthetisch erzeugte, von der blauen Vogelspinne inspirierte Blumenstruktur strahlt das Licht in gleicher Farbe über einen Blickwinkel von 160 Grad ab.

Foto: Derek Miller

„Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer Zukunft, in der strukturelle Farben die giftigen Pigmente in der Textil-, Verpackungs- und Kosmetikindustrie ersetzen“, sagt Radwanul Hasan Siddique, der inzwischen am California Institute of Technology arbeitet. Seiner Auffassung nach ist vor allem in der Textilindustrie ein rascher Einsatz der neuen Strukturfarben möglich.

Druckkosten über Crowdfunding-Plattform eingeworben

Hemmschuh für eine sofortige industrielle Nutzung der neuartigen Farbe mit Blumenstruktur ist die begrenzte Skalierbarkeit des Nano-3D-Drucks. Laut Hendrik Hölscher, Professor am KIT sind nur wenige Firmen weltweit in der Lage, solche Drucke herzustellen. Die hohen Druckkosten haben die KIT-Forscher über die Crowdfunding-Plattform experiment.com eingeworben. 7.708 US-Dollar kamen zusammen, 28 % mehr, als die Forscher brauchten.

Farbige E-Reader

Auch andere Wissenschaftler wollen mehr Farbe in die Welt bringen. So hat ein internationales Chemikerteam um Vinothan Manohan von der Harvard University in Cambridge ein Verfahren entwickelt, um den inzwischen weit verbreiteten, aber leider immer noch schwarz-weißen E-Readern mit Hilfe nicht-irisierender Strukturfarben die Darstellung in Farbe zu ermöglichen. 

Von Detlef Stoller Tags:
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