Aus Schwarz und Weiß wird Bunt

Farbechte bunte Pigmente aus amorphen Anordnungen von Siliciumdioxid und Ruß

29.05.2013 - Japan

Es ist ärgerlich, wenn Farben mit der Zeit verblassen, etwa durch Lichteinwirkung. Japanische Wissenschaftler stellen jetzt einen neuen Typ farbechter, umweltfreundlicher Pigmente vor. Sie bestehen aus Submikrometer-großen Siliciumdioxid-Partikeln und Industrieruß und werden einfach aufgesprüht. So entstehen hochbelastbare, farbechte Pigmente.

Organische Farben verblassen, weil sie von UV-Licht angegriffen werden. Anorganische Pigmente verblassen zwar nicht, basieren aber häufig auf toxischen Schwermetallen wie Chrom. Yukikazu Takeoka und Shinya Yoshioka und ihre Kollegen von den Universitäten Nagoya und Osaka setzen für ihre neuartigen Pigmente dagegen auf Siliciumdioxid (SiO2), dem Hauptbestandteil von Sand. Submikrometer-große SiO2-Partikel erscheinen weiß für das menschliche Auge. Woher soll also die Farbe kommen?

Herkömmliche Pigmente absorbieren einen Teil des sichtbaren Lichts, die reflektierten Teile addieren sich dann zu einem bestimmten Farbeindruck. In der Natur weit verbreitet, z.B. bei Schmetterlingen, ist daneben ein anderes Prinzip der Farbentstehung, die so genannten Strukturfarben: Anordnungen von sehr kleinen Teilchen können auch ohne Absorption spektraler Anteile farbig erscheinen, weil es zu einer wellenlängenabhängigen optischen Interferenz, Brechung und Lichtstreuung kommt. Die Farbe hängt von der Partikelgröße ab.

Allerdings irisieren Strukturfarben normalerweise, das heißt, der Farbeindruck variiert je nach Beleuchtungs- und Blickwinkel. Schuld ist die hohe Ordnung der Teilchen in ihrem Kristallgitter. Die Forscher wollten daher das Kristallisieren vermeiden und die Teilchen in einer nichtkristallinen, amorphen Anordnung erhalten – eine sehr schwierige Aufgabe. Die Wissenschaftler lösten das Problem, indem sie die Siliciumdioxid-Nanopartikel in Methanol dispergieren und auf die zu färbende Fläche aufsprühen. Das Methanol verdampft während des Sprühvorgangs, sodass das SiO2 als trockenes Pulver auf die Fläche gelangt, wo es eine dünne gleichmäßige Membran aus amorphen Teilchen bildet und keine Gelegenheit mehr zum Kristallisieren bekommt. Ein Polyelektrolyt kann die Struktur der kolloidalen amorphen Anordnung zudem stabilisieren. Je nach Partikelgröße erhielten die Forscher Membranen von weißlich-blau (230 nm) bis weißlich-pink (360 nm).

Mit amorphen Strukturen lassen sich allerdings nur sehr blasse Farben erzielen. Aber auch für dieses Problem fand das Team eine Lösung: Werden Rußpartikel zugegeben, lässt sich die Farbsättigung deutlich erhöhen. Der Grund: Die Rußpartikel reduzieren die Lichtstreuung über das gesamte sichtbare Spektrum. So sind mit der neuen Technologie sowohl intensiv gefärbte Bilder in vielen satten Farben als auch Malereien in blassen, matten Farben im japanischen Stil möglich. Außer für Kunstobjekte könnten die Pigmente auch in Fassadenfarben und Autolacken sowie in kosmetischen Produkten Anwendung finden.