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| Materialfarbe hängt von Aluminiumoxid-Schichtdicke ab (Foto: Henning Galinski) |
Zürich (pte017/28.11.2016/10:30) –
Forscher der ETH Zürich http://ethz.ch haben erstmals Metamaterialien mit einer netzwerkartigen Nanostruktur
zur Herstellung einer ganzen Palette an intensiven Farben zum Beispiel
für Metallbeschichtungen genutzt. Dabei sind die Experten lediglich dem
Vorbild der Natur gefolgt. Denn diese wendet das Prinzip schon lange an –
zum Beispiel bei der Gefiederfarbe bestimmter Vogelarten in Südamerika.
Einfach und großflächig anwendbar
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 Forscher erzeugten die Hohlräume durch einen
einfachen Ätzprozess. Auf dieses "Nano-Schwamm-Netzwerk" trugen sie in
der Folge eine sehr dünne Oxidschicht auf. Der entstehende Farbeindruck
hängt von der Dicke dieser Aluminumoxid-Schicht ab: Eine
Zwölf-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. In dieser
Grenzschicht können wir sehr gezielt Licht bestimmter Wellenlängen
einfangen und konzentrieren", sagt ETHZ-Erstautor Henning Galinski. Zur
theoretischen Erklärung des Funktionsprinzips wurden Simulationen am
Computer eingesetzt.
"Unser Ansatz ist extrem fehlertolerant"
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.
Die 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", erklärt
Galinski. "Außerdem kann man unseren Ätz- und Beschichtungsprozess
großflächig anwenden, auch auf mehreren Quadratmeter großen Flächen."
Bisherige Strukturfarben seien wegen ihrer aufwendigen und teuren
Herstellung meist auf einen kleineren Maßstab beschränkt gewesen.
Anwenden könnte man die Strukturfarben zum Beispiel für
sehr dünne Sicherheitsmerkmale in Geldscheinen oder um damit Fahrzeug-
oder Flugzeug-Karosserien 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 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", resümiert Galinski. Damit könne man eine
äußerst effiziente Lichtsammelfalle entwickeln.