Autolack ohne Pigmente: Diese Beschichtung soll praktisch nicht verblassen
Farbe ohne Pigmente und kaum Ausbleichen: Forschende beschichten Modellautos mit einer ultraleichten Schicht aus Silizium-Nanokugeln.
Mit Silizium-Nanopartikeln beschichtete Modellautos zeigen die pigmentfreie Strukturfarbe in unterschiedlichen Farbtönen. Die Oberflächen wirken glänzend und verändern ihre Farbe mit dem Blickwinkel nur gering.
Foto: Kobe University , Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
Glänzende Farbe ohne klassische Farbpigmente: Forschende der Universität Kobe haben eine Beschichtung aus Silizium-Nanokugeln entwickelt, die nur 0,2 bis 0,4 g/m² wiegt. Auf kleinen Modellautos erzeugt sie kräftige Farben, die sich mit dem Blickwinkel kaum verändern. Selbst eine schützende Acrylschicht lässt die Farbe weitgehend intakt.
Ein schwarzes Modellauto bekommt plötzlich eine metallisch glänzende Oberfläche in Grün, Blau oder Rot. Dafür braucht es weder einen klassischen Farbstoff noch eine dicke Pigmentschicht. Die farbgebende Schicht besteht lediglich aus einer Lage winziger Siliziumkugeln.
Forschende der Universität Kobe wollen damit ein Problem lösen, das Strukturfarben bislang für viele praktische Anwendungen unattraktiv macht: Sie können zwar kräftige Farben erzeugen, wirken aber häufig je nach Blickwinkel unterschiedlich oder lassen sich nur schwer auf komplexe Oberflächen aufbringen. Glanz und eine zusätzliche Schutzschicht bereiten ebenfalls Schwierigkeiten.
Das Team um Hiroshi Sugimoto und Minoru Fujii kombiniert diese Eigenschaften nun in einem einzigen System. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Small Structures erschienen.
Farbe entsteht durch Licht statt durch Pigmente
Herkömmliche Lacke erzeugen ihre Farbe meist mithilfe von Pigmenten. Sie absorbieren bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts und reflektieren andere. Vor allem organische Farbmittel können sich bei langer Licht- und UV-Belastung chemisch verändern und dadurch an Farbintensität verlieren.
Bei der neuen Beschichtung entsteht die Farbe anders. Ihre Siliziumkugeln haben Durchmesser von ungefähr 100 bis 200 nm und sind damit ähnlich groß wie die Wellenlängen des sichtbaren Lichts.
Trifft Licht auf diese Partikel, werden bestimmte Wellenlängen besonders stark gestreut. Dahinter steckt die sogenannte Mie-Resonanz. Über die Größe der Siliziumkugeln lässt sich beeinflussen, welcher Bereich des sichtbaren Spektrums besonders stark reflektiert wird. Kleinere Partikel erzeugen andere Farben als größere.
Ein ähnliches physikalisches Prinzip kommt auch bei neuartigen Displays zum Einsatz. So berichtete ingenieur.de bereits über ein E-Paper mit 25.000 Pixeln pro Zoll, dessen Nanostrukturen Farben durch Mie-Streuung erzeugen.
Für Beschichtungen hat das einen interessanten Vorteil: Das Material benötigt kein organisches Molekül, das für die Farbwirkung Licht absorbieren muss und dabei langfristig photochemisch abbauen kann. Das bedeutet allerdings nicht, dass die komplette Beschichtung unbegrenzt haltbar wäre.
Eine Siliziumdioxid-Hülle sorgt für den Glanz
Strukturfarben aus Silizium-Nanokugeln sind nicht völlig neu. Die Kobe-Gruppe arbeitet bereits seit mehreren Jahren daran. Im Frühjahr 2026 gelang es ihr beispielsweise, daraus eine Tinte für Tintenstrahldrucker herzustellen. Ein Problem blieb: Die Oberflächen reflektierten einen relativ großen Anteil des Lichts diffus und wirkten dadurch eher matt.
Nun umgeben die Forschenden die Siliziumkugeln mit einer Hülle aus Siliziumdioxid, kurz SiO₂. Diese transparente Schale hält die Siliziumkerne auf einem definierten Abstand und verbessert gleichzeitig die Anordnung der Partikel. Dadurch wird weniger Licht ungeordnet in viele Richtungen gestreut. Ein größerer Anteil wird gerichtet reflektiert – die Fläche glänzt.
Bei einer optimierten Monolage lag die gesamte Reflexion bei mehr als 75 %. Der gerichtete Anteil dominierte. Den Glanz haben die Forschenden dabei nicht nur fotografisch beurteilt, sondern auch messtechnisch bestimmt.
Interessant ist außerdem, dass sich zwischen einer glänzenden und einer matten Oberfläche wechseln lässt. Dazu veränderte das Team die Rauheit des Untergrunds. Die gleiche Nanopartikel-Schicht erschien auf einer glatten Fläche glänzend und auf einer rauen Oberfläche matt.
Die Farbe verändert sich mit dem Blickwinkel nur wenig
Viele Strukturfarben kennt man etwa von Schmetterlingsflügeln, Käferpanzern oder Pfauenfedern. Je nach Blickwinkel erscheinen dort unterschiedliche Farbtöne. Für dekorative Effekte kann das erwünscht sein, für eine gleichmäßige Lackierung eher nicht. Bei den Silizium-Nanokugeln entsteht die Farbe dagegen überwiegend durch die Resonanz der einzelnen Partikel und nicht durch weitreichende periodische Strukturen.
Völlig unabhängig vom Winkel ist die Farbe dennoch nicht. Die Forschenden variierten den Einfallswinkel des Lichts zwischen 10° und 60°. Je nach Dicke der Siliziumdioxid-Hülle verschob sich die Reflexionsspitze dabei um 9 bis 20 nm. Die sichtbare Farbe änderte sich dadurch nur wenig. Das Team spricht deshalb von einer nicht irisierenden beziehungsweise weitgehend blickwinkelstabilen Strukturfarbe.
Modellautos zeigen, dass auch gekrümmte Flächen funktionieren
Die Forschenden beschichteten nicht nur ebene Proben, sondern auch rund 10 cm lange Modellautos. Die Nanopartikel legten sich dabei gleichmäßig über die gekrümmten Karosserien und erzeugten metallisch wirkende Farben von Violett bis Rot. Das ist relevant, weil viele Verfahren für Strukturfarben auf kleine und weitgehend ebene Flächen beschränkt sind.
Für die Modellautos nutzte das Team allerdings noch kein gewöhnliches industrielles Lackierverfahren. Die Nanokugeln wurden zunächst als Monolage an einer Wasser-Luft-Grenzfläche angeordnet. Anschließend übertrugen die Forschenden diese Schicht mit einem modifizierten Langmuir-Schaefer-Verfahren auf die dreidimensionalen Objekte.
Sprühbeschichtung, Slot-Die-Coating oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren wurden mit der jetzt vorgestellten glänzenden Beschichtung noch nicht demonstriert. Die Forschenden gehen jedoch davon aus, dass sich das Prinzip künftig auf solche skalierbaren Verfahren übertragen lässt.
Ganz neu wäre diese Richtung nicht: Bei einer vorherigen Generation der Silizium-Nanopartikel gelang der Gruppe bereits der Tintenstrahldruck auf flachen und dreidimensionalen Oberflächen.
Nur 0,2 bis 0,4 Gramm pro Quadratmeter
Bemerkenswert ist der geringe Materialbedarf. Die untersuchten Monolagen wiegen nach Angaben der Forschenden lediglich 0,2 bis 0,4 g/m². Das liegt daran, dass eine einzige Lage der Nanopartikel ausreicht, um deutlich sichtbare Farben zu erzeugen. Die Siliziumkerne streuen Licht aufgrund ihres hohen Brechungsindex sehr effizient.
Für Anwendungen, bei denen jedes Kilogramm zählt, könnte das interessant sein. Die Forschenden nennen unter anderem die Luftfahrt. Aus dem gemessenen Flächengewicht lässt sich allerdings nicht ableiten, dass sich eine komplette Flugzeuglackierung auf wenige hundert Gramm reduzieren ließe.
Eine technische Lackierung erfüllt neben der Farbgebung weitere Aufgaben. Sie muss auf dem Untergrund haften, mechanische Belastungen verkraften und gegebenenfalls vor Korrosion, Feuchtigkeit, UV-Strahlung oder Chemikalien schützen. Wie schwer ein vollständiges Beschichtungssystem auf Basis der Nanopartikel wäre, wurde in der aktuellen Studie nicht untersucht.
Schutzlack lässt die Farbe bestehen
Für den Einsatz außerhalb des Labors gibt es noch ein weiteres Problem. Nanostrukturen müssen geschützt werden. Eine zusätzliche Deckschicht kann bei Strukturfarben jedoch ausgerechnet den optischen Effekt zerstören. Sie verändert den Brechungsindex rund um die Nanostrukturen und damit die Lichtausbreitung.
Bei den Silizium-Nanokugeln fällt dieser Effekt vergleichsweise gering aus. Die Forschenden überzogen ihre Beschichtung mit einem transparenten Acrylharz. Die maximale Reflexion sank anschließend um etwa 10 %, die Form des Reflexionsspektrums und die sichtbare Farbe blieben weitgehend erhalten.
Auch auf den Modellautos funktionierte die zusätzliche Deckschicht. Bei einem einfachen Klebeband-Abziehtest stellten die Forschenden anschließend keine sichtbare Veränderung fest. Das ist ein erster Nachweis für die Schutzwirkung, aber noch kein Haltbarkeitstest für den Straßenverkehr.
Ein realer Autolack muss deutlich mehr aushalten: Steinschlag, Waschanlagen, Temperaturwechsel, Sonnenlicht, Feuchtigkeit, Streusalz und unterschiedliche Chemikalien. Solche Langzeittests sind bislang nicht Bestandteil der veröffentlichten Untersuchung. Wie intensiv auch an anderen neuen Beschichtungen gearbeitet wird, zeigt beispielsweise ein Fraunhofer-Projekt, das Keratin aus Hühnerfedern als funktionellen Bestandteil von Schutzlacken untersucht.
Quellen
- Small Structures: Glossy yet Noniridescent Conformal Structural Color Coating of Three-Dimensional Objects With All-Dielectric Nanoparticle Monolayers
- Kobe University: Structural color can now be printed with an inkjet printer
- Kobe University: Structural color ink – Printable, non-iridescent and lightweight
Ein Beitrag von:
