23.11.2016

Mit den Farben der blauen Vogelspinne

Forscher entwickeln Strukturfarben ohne "Pfauenfedereffekt"

Schmetterlinge, Käfer, Spinnen und Vögel glänzen ohne Pigmente – sie erzeugen den Farbeindruck durch feinste physikalische Strukturen, an denen sich die Lichtwellen überlagern. Für industrielle Anwendungen haben diese sogenannten Strukturfarben einen Nachteil: Sie verändern den Farbton in Abhängigkeit vom Blickwinkel. Einem internationalen Team von Forschern ist es nun jedoch gelungen, solche Nanostrukturen herzustellen, die unabhängig vom Blickwinkel dieselbe Farbe erzeugen – ohne diesen meist unerwünschten "Pfauenfedereffekt".

Die bis zu etwa 5 Zentimeter große Vogelspinne Poecilotheria metallica sticht durch ihre gleichmäßige blaue Farbe hervor. Foto: Tom Patterson
Blaue Vogelspinne. Foto: Tom Patterson

Das Schillern auf Vogelfedern oder auf den Panzern von Käfern ist eine direkte Folge der gleichmäßigen Nanostrukturen im Material. Die Überlagerung der reflektierten Lichtwellen verändert sich mit dem Winkel, in dem das Licht ein- und ausfällt. Doch im Tierreich gibt es auch Strukturfarben ohne dieses Schillern. So sind etwa Teile des Eisvogelgefieders immer blau, unabhängig vom Betrachtungswinkel. Die Farbe kommt hier zwar auch durch Nanostrukturen zustande, doch diese sind unregelmäßig – amorph, wie Materialforscher sagen.

Bei der industriellen Herstellung von Nanostrukturen ist die Regelmäßigkeit meist bereits Teil des Fertigungsverfahrens – die Erzeugung amorpher Nanostrukturen hingegen war bisher kaum mit vertretbarem Aufwand möglich. Das wollen die Forscher aus den USA, Belgien und vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun ändern. Vorbild ihres neuen technischen Ansatzes ist die Vogelspinne Poecilotheria metallica. Die behaarten Beine dieses in Indien beheimateten Tiers zeigen aus allen Richtungen denselben tiefblauen Farbton – obwohl dieser ebenfalls durch Nanostrukturen zustande kommt.

Die Blumenstruktur ist nur 15 Tausendstel Millimeter groß – ein menschliches Haar ist etwa dreimal so dick. Foto: Bill Hsiung, Uni Akron
Blumenstruktur. Foto: Bill Hsiung, Uni Akron

Beim Blick in die Details offenbarte sich den Forschern eine mehrschichtige, blumenähnliche Struktur, deren Reflexionsverhalten nach außen hin gleichmäßig war. Mithilfe von Nano-3D-Druckern fertigten sie Modelle dieser Strukturen an und optimierten diese über Computersimulationen. So gelang es ihnen, eine Struktur herzustellen, die sich am Blumenmuster der Vogelspinne orientiert und über einen Blickwinkel von 160 Grad die gleiche Farbe erzeugt. Das ist der größte Winkel, der bisher bei künstlich hergestellten Strukturfarben erreicht wurde.

Über die Größe der "Blume" konnten die Wissenschaftler sogar den Farbton variieren. Das macht das Prinzip für industrielle Anwendungen noch interessanter. Von der kommerziellen Nutzung ist die Technik jedoch noch weit entfernt. Das technisch größte Problem ist es, den 3D-Druck auf die erforderliche Größe zu skalieren. Die Blumenstruktur ist nur 15 Tausendstel Millimeter groß, nur ein Drittel des Durchmessers eines menschlichen Haars. (ud)