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Chemiker entwickeln neues Blau

Mineralischer Farbstoff ist umweltfreundlicher und billiger als seine bisherigen Verwandten

Neues Blau: weniger giftig als Kobaltblau, aber genauso farbintensiv © Oregon State University

Chemiker haben einen Farbstoff hergestellt, der dem gängigen Kobaltblau überlegen ist. Das auf dem Mineral Hibonit basierende Pigment zeigt intensive Blautöne, besteht aber nur aus vier Massenprozent Kobalt. Damit ist es wesentlich umweltfreundlicher und billiger als das Kobaltblau, wie die Forscher berichten. Da die neuen Pigmente das Nahinfrarotlicht reflektieren, könnten sie für energiesparende, wärmereflektierende Beschichtungen genutzt werden.

Die blaue Farbe fasziniert die Menschheit schon seit Jahrtausenden, denn die Pigmente für diesen Farbton kommen in der Natur extrem selten vor. Schon vor 6.200 Jahren färbten Andenbewohner Stoffe mit dem Pflanzenfarbstoff Indigo. Das erste künstliche Blau stellten die alten Ägypter vor mehr als 5.000 Jahren her. Diese uralten Pigmente weckten kürzlich wieder das Interesse von Forschern, denn wie sich herausstellte, ist dieser Farbstoff ein potenzielles Nanomaterial.

Auch heute werden für die blaue Farbe mineralische Pigmente verwendet, meist in Form von Kobaltblau (CoAl2O4). Doch dieses besteht zu rund einem Drittel aus Kobalt – einem Element, das teuer, umweltschädlich und außerdem krebserregend ist. Forscher sind deshalb schon lange auf der Suche nach Alternativen.

Natürliches Mineral als Ausgangspunkt

Chemikern um Brett Duell von der Oregon State University ist nun ein Durchbruch gelungen: Sie haben mineralische Blau-Pigmente hergestellt, die blauer, billiger und kobaltärmer sind als gängiges Kobaltblau. Die neuen Pigmente basieren auf dem natürlichen, leicht blauen Mineral Hibonit – ein kristallines Oxid aus den Elementen Calcium und Aluminium, alternativ können auch Titan oder Magnesium enthalten sein. Hibonit besitzt eine ähnlich hexagonale Kristallstruktur wie das dem Kobaltblau zugrundeliegende Mineral und zeigt daher ähnliche optische Eigenschaften.

Ganze Palette von Blautönen

Um ihr Pigment zu erzeugen, ersetzten die Forscher das im Hibonit enthaltene Aluminium durch verschiedene Anteile von Nickel, Titan oder Kobalt. Dadurch erhielten sie Materialien, die Wellenlängen im Bereich 500 bis 675 Nanometern stark absorbieren, Licht im blauen Wellenbereich dagegen reflektieren. Sie erscheinen dadurch blau. Das Ergebnis ist eine ganze Palette von blauen Pigmenten unterschiedlicher Intensität. „Die Farbintensität ist durchaus vergleichbar mit auf dem Markt erhältlichen Farben wie Kobaltblau,“ sagt Duell. Indem die Forscher die Kobaltkonzentration änderten, konnten sie die Farbintensität außerdem systematisch verändern und erhielten unterschiedliche Blautöne, einige davon mit rötlichen Schattierungen.

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Farbschicht reflektiert Wärme

Der Clou: Die neue Substanz hat nur vier Masseprozent Kobalt. Damit ist es wesentlich billiger und weniger giftig als Kobaltblau, welches 33 Masseprozent Kobalt beinhaltet. Im Gegensatz zu organischen Farbpigmenten sind die hibonitbasierten Pigmente zudem auch in stark sauren oder basischen Umgebungen stabil und haltbar.

„Möglich ist auch die Anwendung des Materials für energiesparende, wärmereflektierende Beschichtung, da es Nahinfrarotlicht sehr stark adsorbiert. Das Reflexionsvermögen in diesem Bereich ist im Vergleich zu anderen Farbstoffen um bis zu 125 Prozent erhöht, und das bei gleichbleibender Intensität der Farbe.“, sagt Duells Kollege Subramanian. (doi: http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b0325)

Quelle: American Chemical Society

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