Strukturfarben aus dem Tierreich für den E-Reader
Forschern ist es gelungen, Farben herzustellen, die frei von Farbstoffen sind. Die Mikrokapseln nutzen das physikalische Prinzip der Interferenz von Licht. Abgeschaut wurden diese Strukturfarben bei Tieren wie dem Pfau oder Schmetterlingen. Eingesetzt werden sollen die neuen „photonischen Pigmente“ zum Beispiel in Displays von E-Readern.
Papilio palinurus schafft das Kunststück, ganz ohne grünes Pigment mit einem intensives Grün Aufmerksamkeit zu erregen.
Foto: panthermedia.net/Massym
Die Evolution im Tier- und Pflanzenreich ist in ihrer Pfiffigkeit kaum zu toppen und nutzt physikalische Prinzipien, um zum Beispiel besonders schön leuchtende Farben zu erzeugen. So trumpft der im südamerikanischen Regenwald lebende Morphos-Schmetterling mit einem sehr intensiven leuchtenden Blau auf. Der Trick des Falters: Der Flügelgrund ist mit vielen 80 mal 200 Mikrometer kleinen Strukturschuppen ausgelegt. Darauf liegen dichte regelmäßige Längsrippen. Auf einen Millimeter sind es bis zu 1800 dieser nur einen Mikrometer hohen Grate. Diese bestehen aus Stapeln von sechs bis zwölf winzigen Chitinlamellen, die durch Verstrebungen auf Abstand gehalten werden.
Das effiziente Reflexgitter des „Morphos Blau“
Ohne es zu wissen, hat „Morphos Blau“ damit ein sehr wirkungsvolles Reflexionsgitter geschaffen: Das Sandwich aus gleichmäßigen, sich abwechselnden Schichten aus Luft und Chitin beugt und reflektiert das eintreffende Licht so, dass nur blaue Lichtwellen durch Interferenz verstärkt werden. Dieses blaue Licht wird von jeweils benachbarten Lamellen so gespiegelt, dass seine Wellenlänge um genau einen Wellenberg gegenüber dem Nachbarstrahl verschoben ist. In der Folge addieren sich die Wellenberge durch konstruktive Interferenz und das Leuchten verstärkt sich noch einmal. Der Vorteil dieser durch ein Gitter erzeugten Spektralfarbe: Sie ist aus jedem Blickwinkel gleich intensiv zu sehen. Bei einer einfachen Interferenz schwächen sich die Farben je nach Beleuchtungsrichtung und Blickwinkel ab. Die Farben irisieren.
Mit diesen Gedanken an die biologischen Vorbilder in Sachen Farbigkeit ist ein Team von Chemikern um Vinothan Manoharan von der Harvard University in Cambridge, dem Korea Advanced Institute of Science and Technology sowie dem Korea Electronics Technology Institut jetzt an die Aufgabe gegangen, den inzwischen weit verbreiteten, aber leider immer noch schwarz-weißen E-Readern die Darstellung in Farbe zu ermöglichen.
Herkömmliche Farbstoffe sind für E-Reader ungeeignet
Und das ist kompliziert. Denn die organischen Farbstoffe neigen dazu, zu verblassen. Die anorganischen Farbstoffe enthalten oft toxische Schwermetalle, wie das krebserregende Chrom. Jetzt arbeiten die Forscher um Manoharan daher mit Strukturfarben, wie die aus dem Tierreich bekannten Mikrostrukturen. Doch dazu müssen sie nicht-irisierende Strukturfarben entwickeln. Ansonsten bilden die Strukturfarben einen bläulichen Störeffekt aus, die sogenannte inkohärente Streuung. Einen sauberen Rotton zu erzeugen, ist so beinahe unmöglich. Die Phasen der reflektierten Lichtwellen sind gegeneinander verschoben und stören die Reinheit der Farbe. Mitschuld ist die hohe Ordnung der Teilchen im Kristallgitter. Denn die Größe und der Abstand der Nanopartikel in Strukturfarben bestimmt sowohl ihre Farbe als auch die Streuung.
Es geht also darum, diese beiden Eigenschaften zu entkoppeln, die Teilchen in eine nichtkristalline amorphe Anordnung zu bringen. Dazu stellten die Forscher nanoskopische Polymerkügelchen her, deren Kern und Hülle aus zwei verschiedenen Polymeren bestehen. Das Polymer der Hülle hat den gleichen Brechungsindex wie das umgebende wässrige Medium, in dem die Kügelchen sich befinden. Der Kern hingegen hat einen davon abweichenden Brechungsindex.
Dicke der Hülle bestimmt die Farbe
Durch diesen Trick sind die Forscher in der Lage, die Farbe ihrer Strukturfarbe nach Belieben einzustellen. Statten sie ihre Kugeln mit einer dickeren Hülle aus, so wird der Abstand zwischen den Kernen der vielen Kügelchen größer und die Farbe verschiebt sich in Richtung Rot. Dünnere Hüllen lassen die Kerne der Kügelchen näher aneinanderrücken. Die konstruktive Interferenz erzeugt dann Farben in Richtung Blau. So konnte das Team Mikrokapseln herstellen, die das gesamte Farbspektrum abdecken.
Und die ungeliebte inkohärente Streuung haben die Forscher durch diesen Trick auch gleich minimiert. Denn weil der Kern im Verhältnis zur Hülle sehr klein ist, werden diese Streutypen nahezu unterdrückt. Beinahe stolz nennen die Chemiker aus Cambridge ihre Mikrokapseln „photonische Pigmente“, wohl wissend, dass diese ihre Farbigkeit alleine auf dem physikalischen Prinzip der Interferenz von Lichtwellen erhalten. Die „photonischen Pigmente“ sind nun nicht-irisierend und sehen aus jedem Blickwinkel gleich aus.
Winzige Tröpfchen einer wässrigen Suspension der Kern-Schale-Partikel wurden dann mithilfe eines mikrofluidischen Verfahrens mit einem dünnen Ölfilm überzogen und durch Osmose so weit geschrumpft, dass die Partikel zu einer dichten Packung zusammenrücken. Die weichen Polymerschalen der Partikel verhindern eine Kristallisation. Der Ölfilm wird zuletzt durch UV-Licht zu feinen, durchsichtigen Mikrokapseln gehärtet. Und diese können dann in Zukunft für Farbigkeit auf den Displays der E-Reader sorgen.
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