Farbe ohne Farbstoff

Frei von Farbstoffen und doch farbig: Für den Einsatz in reflektiven Displays hat ein amerikanisch-koreanisches Team jetzt erstmals nicht irisierende Strukturfarben für das komplette Farbspektrum entwickelt, deren Farbe vom Blickwinkel unabhängig ist.

Ihr Erfolgsgeheimnis verraten die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie: Mikrokapseln mit dicht gepackten Kern-Schale-Kolloid-Partikeln, die sie als „photonische Pigmente“ bezeichnen.

Herkömmliche Farbmittel haben Nachteile: Organische Farbstoffe neigen zum Verblassen, anorganische Pigmente basieren häufig auf toxischen Schwermetallen wie Chrom. Der Farbeindruck entsteht durch Absorption eines Teils des sichtbaren Lichts, die reflektierten Teile addieren sich zu der Farbe, die wir wahrnehmen. Daneben gibt es noch eine andere Art der Farbentstehung, die ohne Absorption auskommt und in der Natur weit verbreitet ist, etwa bei Schmetterlingen:

Anordnungen nanoskopischer Teilchen können farbig erscheinen, weil es zu einer wellenlängenabhängigen optischen Interferenz, Brechung und Lichtstreuung kommt. Die Farbe hängt von der Partikelgröße ab. Allerdings irisieren Strukturfarben, das heißt, der Farbeindruck variiert je nach Beleuchtungs- und Blickwinkel. Bei Displays und vielen anderen Anwendungen stört das natürlich sehr.

Mitschuld ist die hohe Ordnung der Teilchen im Kristallgitter. Es gilt daher, die Teilchen in einer nichtkristallinen, amorphen Anordnung zu erhalten, was sich jedoch sehr schwierig gestaltet. Zudem zeigen amorphe Strukturfarben bisher nur sehr unbefriedigende Farbsättigungen aufgrund der sogenannten Mehrfach-Streuung. Ein weiterer unerwünschter Streuungstyp, die inkohärente Streuung, verursacht einen bläulichen Hintergrund, der es erschwert, ein volles Farbspektrum herzustellen, vor allem roter Farbtöne.

Das Team von der Harvard University (USA), dem Korea Advanced Institute of Science and Technology sowie dem Korea Electronics Technology Institute hat die Probleme jetzt gelöst. Erfolgsgeheimnis sind in Mikrokapseln verpackte nanoskopische Polymerkügelchen, deren Kern und Schale aus zwei verschiedenen Polymeren bestehen. Die Wissenschaftler um Vinothan N. Manoharan konzipierten die Schalen so, dass sie den gleichen Brechnungsindex wie das umgebende wässrige Medium haben. Das Licht wird dann nur an den Kernen gestreut, deren Größe und Abstände zueinander die Streueigenschaften bestimmen. In einer dichten Packung ist der Abstand der Kerne über die Dicke der Schalen einstellbar. Sind die Kerne sehr klein und die Schalen im Verhältnis dazu sehr dick, lässt sich die unerwünschte Art der Streuung gering halten, während die gewünschte kohärente Streuung, die für die strukturelle Farbe verantwortlich ist, dominiert.

Mithilfe eines mikrofluidisches Verfahrens wurden winzige Tröpfchen einer wässrigen Suspension der Kern-Schale-Partikel 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 zu feinen, durchsichtigen Kapseln UV-gehärtet.

Der Farbton der neuartigen Strukturfarben lässt sich einfach über die Entfernung der Partikel-Kerne zueinander, also die Dicke der Schalen, über das ganze Spektrums des sichtbaren Lichts variieren. Ziel ist ihr Einsatz in Reflektiv-Displays.

Angewandte Chemie: Presseinfo 03/2014

Autor: Vinothan N. Manoharan, Harvard University, Cambridge (USA), http://manoharan.seas.harvard.edu/people.html

Angewandte Chemie, Permalink to the article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201309306

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