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Neues Konzept für Strukturfarben Satte Farben trotz Unordnung in der Farbstruktur

26.06.2018

Mit Unordnung in der Farbstruktur ist es Forschern aus Hamburg gelungen, nichtirisierende Farbstoffe zu entwickeln, die sogar Sonnenlicht auf Dauer widerstehen.

Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), der ITMO-Universität St. Petersburg und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht haben ein Konzept entwickelt, das es ermöglicht, Farbstoffe herzustellen, die auf nicht-giftigen Ausgangsstoffen basieren, im Sonnenlicht nicht ausbleichen und auch unter hohen Verarbeitungstemperaturen ihre Farbwirkung nicht verlieren.

Die Struktur schafft die Farbwirkung

Im Gegensatz zu konventionellen Farbpigmenten entsteht die Farbwirkung bei dieser Neuentwicklung nicht aufgrund der Absorption bestimmter Wellenlängen, die dann im reflektierten Licht fehlen und somit den Farbeindruck hervorrufen. Stattdessen entsteht bei den Strukturfarben die Farbwirkung ausschließlich durch deren Struktur: Sie verursacht eine Überlagerung und in der Folge eine Auslöschung bestimmter Wellenlängen im reflektierten Licht.

Irisierende Eingenschaften vermeiden

Oft hängt bei solchen Strukturfarben der Farbeindruck von den Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtungen ab – der Farbstoff ist „irisierend“. Dies möchte man bei einem guten Farbstoff vermeiden. Ein „nichtirisierender“ Farbstoff benötigt ein gewisses Maß an Unordnung in seiner Struktur. Diese Unordnung führte aber bisher zu einer schwachen Farbsättigung, die sich in eher verwaschenen Farben ausdrückte.

Den Hamburger Wissenschaftlern ist es nun gelungen, diesen Zielkonflikt zu lösen. Hierzu haben sie ein neuartiges Konzept entwickelt, dessen Erfolg auf der Verbindung eines schwach geordneten Arrangements von Kugeln im Raum – einem sogenannten photonischen Glas - mit der äußerst präzisen Gestaltung der Kugeln selbst basiert. Diese keramischen Hohlkugeln besitzen Durchmesser von etwa 200 Nanometern und tragen Schalen einer Dicke von nur etwa zehn Nanometern.

Erst die Kombination der Nahordnung von im Raum dicht gepackten Kugeln mit der Hohlkugelstruktur der einzelnen Partikel ermöglicht es, ein im Wellenlängenbereich steil verlaufendes Reflexionsspektrum zu erhalten.

Farben, die langer Sonneneinstrahlung widerstehen

Die Wissenschaftler haben sowohl die theoretischen Grundlagen für die Beschreibung dieser neuartigen Klasse an Farbstoffen entwickelt als auch umfangreiche numerische Simulationen durchgeführt, mit denen die Vorhersagen bestätigt wurden.

Die unter Führung der Hamburger Wissenschaftler gewonnenen neuen Erkenntnisse der Grundlagenforschung sind auch für Anwendungen hin zu nichttoxischen Farbstoffen interessant, die auch unter langer Sonneneinstrahlung ihre Farbwirkung behalten und außerdem hohen Prozesstemperaturen jenseits von 1.000 °C widerstehen können.

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