Nanostrukturen schaffen Illusion von Farbe

Innovation von Ingenieuren der Universität Kobe nimmt Flügel von Schmetterlingen als Vorbild

Schmetterling: Ultradünne Farbe nach dem Vorbild der Natur erzeugt (Foto: Ilo, pixabay.com)

Kobe (pte011/31.01.2024/11:30) - Forscher der Universität Kobe ( https://www.kobe-u.ac.jp/en/index.html ) reduzieren das Gewicht von Flugzeugen dank einer neuen Spezialfarbe um hunderte Kilogramm. Die Farbschicht ist nur 100 bis 200 Nanometer dick und sie wiegt pro Quadratmeter gerade einmal ein halbes Gramm. Um sie zu entwickeln, haben sich die Experten an der Natur orientiert, genauer gesagt an farbenprächtigen Flügeln von Schmetterlingen. Darin finden sich keinerlei Pigmente. Der schöne Schein entsteht durch Nanostrukturen, die einfallendes Licht nur teilweise reflektieren - und zwar so, dass bestimmte Farbmuster entstehen. Welche Muster es sind, hängt von Abstand und Größe der Strukturen ab.

Farbillusion bleibt dauerhaft

Prinzipiell reflektieren sie das gesamte Licht, was für die Farbgebung wenig hilfreich wäre. Die Oberfläche erschiene in der Farbe des einstrahlenden Lichts. Durch Variation von Größe und Abstand der Strukturen werden bestimmte Frequenzen ausgelöscht. Was übrig bleibt, ist buchstäblich strahlend schön. Da es keine Pigmente gibt, verblasst die Farbe nicht, wie es bei üblichen Anstrichen der Fall ist.

Einen Haken hat die Sache allerdings: Der Farbeindruck hängt stark vom Betrachtungswinkel ab. Bei Flugzeugen, deren Bemalung charakteristisch für die jeweilige Gesellschaft sein soll, ist das wenig tolerabel. Das Team um den Ingenieur und Werkstoffspezialisten Sugimoto Hiroshi hat diesen lästigen Effekt ausgemerzt. Statt ebener Nanostrukturen setzen die Entwickler winzige, kristalline Siliziumkügelchen ein. Durch das Phänomen der Mie-Streuung reflektieren diese nanoskaligen Kugeln bestimmte Wellenlängen viel stärker als andere, und diese Wellenlängen variieren mit der Größe der Partikel.

Bis zu 544 Kilo pro Flugzeug

Das unerwünschte Schillern der Farben wird verhindert, weil die winzigen Kügelchen das Licht in alle Richtungen lenken. "Der Farbeindruck ist am intensivsten, wenn die Kügelchen nicht dicht gepackt, sondern ein bisschen Platz um sich herum haben. Weniger ist in diesem Fall mehr. Die Nanostrukturen lassen sich in einem Druckverfahren auftragen. Unsere Beschichtung erzeugt die hellsten Farben der Welt", freut sich Hiroshi.

Flugzeuge schleppen zwischen 272 und 544 Kilogramm Farbe mit sich herum. "Das können wir auf zehn Prozent reduzieren", sagt Hiroshi. Damit würde auch der Treibstoffverbrauch sinken. Zudem kostet die nach einigen Jahren nötige Neulackierung mit klassischer Farbe bis zu 200.000 Dollar, so der Ingenieur.