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Montag, 26.09.2016
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Farbe ohne Farbstoff

Mikrokapseln mit Nanostruktur könnten künftig E-Reader bunt machen

Längst haben E-Books Einzug gehalten in unseren Alltag. Bislang ist die Welt der E-Reader jedoch noch schwarz-weiß. Wird sie bald schon einen farbigen Neuanstrich erhalten? Koreanische Forscher haben gemeinsam mit US-Kollegen nun farbige Mikrokapseln entwickelt, die keine Farbstoffe enthalten, sondern durch ihre Struktur den Farbeindruck erzeugen. Ihre Farbe ist zudem unabhängig vom Blickwinkel. Ideale Kandidaten also für bunte, reflektive Displays, wie die Chemiker sagen.
In Mikrokapseln verpackte Polymerkügelchen ermöglichen Strukturfarben für das ganze Farbspektrum

In Mikrokapseln verpackte Polymerkügelchen ermöglichen Strukturfarben für das ganze Farbspektrum

In den reflektiven Displays der E-Reader werden schwarze und weiße Partikel in einem elektrischen Feld ausgerichtet. Je nachdem welche Teilchen sich an der Oberfläche befinden erscheint das Display dort hell oder dunkel. Bunte Farben lassen sich so jedoch noch nicht darstellen. Herkömmliche Farbstoffe sind hierfür ungeeignet, denn organische Farbstoffe neigen dazu zu verblassen, anorganische hingegen enthalten oft toxische Schwermetalle wie Chrom. Ein ganz anderes Prinzip nutzen die sogenannten Strukturfarben, die in der Natur weit verbreitet sind.

Bei Schmetterlingen beispielsweise reflektieren und brechen Nanostrukturen das einfallende Licht und sorgen so für die bunten Muster auf ihren Flügeln. Dabei werden bestimmte Farben durch die Überlagerung der Wellen verstärkt, während andere Farben abgeschwächt oder gar ausgelöscht werden. Festgelegt wird die Art dieser optischen Interferenz durch die Größe und Anordnung der Nanostrukturen. Jedoch erscheint das Schillern dieser Farben nicht immer gleich. Aus anderem Blickwinkel betrachtet oder aus einem anderen Winkel beleuchtet, wird das bunte Muster schwächer oder verschwindet sogar ganz.Dieses Irisieren macht sie für den Einsatz in E-Books wenig attraktiv.

Trick gegen den Störeffekt


Eine eher chaotische, amorphe Anordnung der farberzeugendne Nanostrukturen kann das Irisieren dämpfen. Bisherige Varianten solcher amorphen Strukturfarben sind jedoch eher blass und neigen zu einem unerwünschten bläulichen Störeffekt, der inkohärenten Streung. Dabei sind die Phasen der reflektierten Lichtwellen gegeneinander verschoben. Ein Team aus Chemikern um Vinothan Manoharan von der Harvard University in Cambridge hat es sich nun zum Ziel gesetzt, nicht-irisierende Strukturfarben zu entwickeln, die keine inkohärente Streuung bewirken.


Die Größe und der Abstand der Nanopartikel in Strukturfarben bestimmt sowohl ihre Farbe als auch die Streuung. Um diese beiden Eigenschaften zu entkoppeln, bedienten sich die Forscher eines Tricks. Sie stellten nanoskopische Polymerkügelchen her, deren Kern und Hülle aus zwei verschiedenen Polymeren bestehen. Die Hülle hat dabei den gleichen Brechungsindex wie das umgebende wässrige Medium, der Kern einen davon abweichenden.

Strukturfarben in bunten Kapseln


Wie lässt sich nun in diesem System eine bestimmte Farbe einstellen? Stellen die Forscher Kugeln mit einer dickeren Schale her, so wird der Abstand zwischen den Kernen größer und die Farbe verschiebt sich. So konnte das Team Mikrokapseln herstellen, die das gesamte Farbspektrum abdecken. Gleichzeitig minimiert dies auch die inkorärente Streung: Weil der Kern im Verhältnis zur Hülle sehr klein ist, werden diese unerwünschten Streutypen nahezu unterdrückt, wie die Forscher feststellten. Ihre neu entwickelten "photonischen Pigmente", wie die Chemiker sie selber nennen, sind daher nicht-irisierend und sehen aus jedem Blickwinkel betrachtet gleich aus.

Im nächsten Schritt brachten die Wissenschaftler die Polymerkugeln nun noch aus dem wässrigen Medium in eine Kapsel. Winzige Tröpfchen der Partikellösung überschichteten sie mit einem dünnen Ölfilm. Osmotisch schrumpften die Tröpfchen dann so weit, bis die Partikel zu einer dichten, amorphen Packung zusammengerückt waren. UV-Licht härtet dann im letzten Schritt den Ölfilm aus und es entstehen durchsichtige Mikrokapseln. Bleibt abzuwarten, ob diese farbigen, kleinen Kapseln in Zukunft E-books mit bunten Bildern bestücken werden. (Angewandte Chemie, 2014; doi: 10.1002/ange.201309306
(Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V., 21.02.2014 - KEL)
 
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