Vernetzte Farben

Abbildung: Galinski et al. 2016, bearbeitet

Die Farbe des Materials hängt von der Aluminiumoxid-Schichtdicke ab. Die Poren in der Legierung liegen in der Grössenordnung von 10 bis 35 Nanometer.

Ein Team mit Beteiligung von ETH-Wissenschaftlern nutzten erstmals Materialien mit einer netzwerkartigen Nanostruktur, um damit eine ganze Palette an intensiven Farben herzustellen. Die Natur wendet das Prinzip schon lange an: bei der Gefiederfarbe bestimmter Vogelarten in Südamerika.

Das internationale Forscherteam entwickelte ein neuartiges Prinzip, um verschiedenfarbige Beschichtungen für Metalle herzustellen. Die Farben kommen aufgrund einer auf der Nanometer-Skala speziellen Feinstruktur des Beschichtungsmaterials zustande. Im Gegensatz zu anderen, bestehenden Strukturfarben lässt sich das neue Herstellungsprinzip sehr einfach grossflächig anwenden. Ausserdem sind die Farben ausgesprochen intensiv und das Material äusserst kratzfest.

Beim verwendeten Material handelt es sich um einen Zwei-Schichten-Designer-Werkstoff. Die untere Schicht ist ein von winzigen Hohlräumen durchsetztes metallisches Netzwerk. Es besteht aus einer Legierung aus Platin, Yttrium und Aluminium. Die Forschenden erzeugten die Hohlräume durch einen einfachen Ätzprozess. Auf dieses «Nano-Schwamm-Netzwerk» trugen die Wissenschaftler eine sehr dünne Oxidschicht.

Farbe hängt von Schichtdicke ab

Interessant ist, dass der entstehende Farbeindruck von der Dicke dieser Aluminumoxid-Schicht abhängt: Eine 12-Nanometer-Schicht macht das Material grünlich, eine 24-Nanometer-Schicht gelb, eine 28-Nanometer-Schicht orangefarben, eine 48-Nanometer-Schicht blau und eine 53-Nanometer-Schicht violett.

«Die Farbe entsteht aufgrund der Wechselwirkung des Umgebungslichts mit den beiden Materialschichten und insbesondere der ungeordneten Grenzschicht zwischen den beiden Materialien», erklärt der Physiker Henning Galinski. «In dieser Grenzschicht können wir sehr gezielt Licht bestimmter Wellenlängen einfangen und konzentrieren.» Galinski ist Erstautor der aktuellen Studie und arbeitet in den Labors von ETH-Professor Ralph Spolenak und Federico Capasso, Professor an der Harvard University. Zur theoretischen Erklärung des Funktionsprinzips trug die Gruppe von Andrea Fratalocchi, Professor an der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien, mit umfangreichen Computersimulationen bei.

Chaotische Netzwerkstruktur

Bisherige Strukturfarben haben in der Regel einen sich periodisch wiederholenden Aufbau, welcher den Farbeindruck bestimmt. Dies hat den Nachteil, dass bereits kleinste Defekte die optischen Eigenschaften massiv verändern.

Die von Galinski und seinen Kollegen entwickelten Netzwerke folgen hingegen keiner klaren Ordnung: die Hohlräume des Netzwerks sind zwar ähnlich gross, aber nicht genau gleich gross. Die physikalischen Eigenschaften werden von der durchschnittlichen Hohlraumgrösse bestimmt, nicht jedoch von der Grösse jedes einzelnen Hohlraums.

«Unser Ansatz beruht auf Unordnung, nicht auf der präzisen Herstellung von sich millionenfach repetierenden Untereinheiten. Daher ist unser Ansatz extrem fehlertolerant», so Galinski. «Ausserdem kann man unseren Ätz- und Beschichtungsprozess grossflächig anwenden, auch auf mehreren Quadratmeter grossen Flächen.» Bisherige Strukturfarben seien wegen ihrer aufwändigen und teuren Herstellung meist auf einen kleineren Massstab beschränkt gewesen.

Farbige Netzwerkmaterialien gibt es auch in der Natur. So sind in Südamerika Vogelarten heimisch, bei welchen Keratin-Netzwerke für die Gefiederfärbung verantwortlich sind. «Wir sind jedoch die ersten, die zeigen, dass man solche Netzwerkmaterialien technisch als Strukturfarben anwenden und dabei den Farbeindruck steuern kann», sagt Galinski.

Geldscheine und Flugzeuge

Anwenden könnte man die neuen Strukturfarben zum Beispiel für sehr dünne Sicherheitsmerkmale in Geldscheinen oder um damit Fahrzeug- oder Flugzeug-Carosserien zu färben, im Militärbereich auch für Tarnanstriche. «Wir verstehen unser System aber auch als Plattform, auf deren Basis zahlreiche Weiterentwicklungen möglich sind», sagt Galinski.

Das neue Metamaterial – so bezeichnen Wissenschaftler künstlich hergestellte Werkstoffe mit optischen, elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen – sei auch für Energiesysteme wie Dünnschicht-Solarzellen interessant. «Wir haben ein extrem dünnes Material entwickelt, in dem an einzelnen Punkten Licht konzentriert und perfekt absorbiert wird», so Galinski. Damit könne man eine äusserst effiziente Lichtsammelfalle entwickeln. Die Lichtkonzentration sei ausserdem weitgehend unabhängig vom Lichteinfallswinkel, ein weiterer Pluspunkt für eine Anwendung in Solarzellen.

Originalveröffentlichung:

Galinski H, Favraud G, Dong H, Totero Gongora JS, Favaro G, Döbeli M, Spolenak R, Fratalocchi A, Capasso F; „Scalable, ultra-resistant structural colors based on network metamaterials“; Light: Science & Applications; published ahead of advance online publication 27 September 2016