In allen Regenbogenfarben

Poröses Polymergel als elektroaktiver photonischer Kristall für Vollfarbdisplays

23.12.2008 - Großbritannien

Schmetterlingsflügel sind bunt, obwohl sie keine Farbstoffe enthalten. Die schillernden Farben entstehen durch wellenlängenabhängige Lichtstreuung an der nanostrukturierten Flügeloberfläche. Eine vergleichbare Wirkung lässt sich mit sogenannten photonischen Kristallen erzielen. Ein kanadisch-britisches Forscherteam hat jetzt einen hochleistungsfähigen photonischen Kristall entwickelt, dessen Farbe sich kontinuierlich vom UV- über die Wellenlängen des sichtbaren Lichts bis in den nahen Infrarot-Bereich einstellen lässt. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, könnte sich das Material zur Herstellung reflektierender Vollfarbdisplays, beispielsweise für elektronische Bücher, eignen.

Photonische Kristalle für Vollfarbdisplays stellen eine besondere technische Herausforderung dar. Sie müssen ihre optischen Eigenschaften als Antwort auf einen externen Stimulus, etwa eine elektrische Spannung, kontinuierlich, reversibel und sehr rasch ändern und sollten in großem Maßstab zu geringen Kosten herstellbar sein. Einem Team um Geoffrey A. Ozin von der University of Toronto (Kanada) und Ian Manners von der University of Bristol (UK) ist die Entwicklung eines solchen Materials nun geglückt. Es handelt es sich dabei um ein Polymergel mit inverser Opalstruktur.

Ein Opal ist ein farbig schillernder Schmuckstein aus nanoskopischen, dicht gepackten Silikat-Kügelchen, die einfallendes Licht streuen. Die Forscher stellten eine inverse Opalstruktur her, indem sie eine dünne Schicht aus Silikat-Kügelchen auf einen Träger aufbrachten und die freien Volumina mit einem elektrisch leitfähigen Polymer auffüllten und dieses quervernetzten. Durch Wegätzen des Silikats entsteht ein hochporöses Polymergel mit gitterartiger Struktur. Wo bei einer Opalstruktur die Kügelchen sind, befinden sich nun Hohlräume, die die Forscher mit einer Elektrolytlösung auffüllten.

Wird eine Spannung angelegt, werden Elektronen aus dem Polymer herausgezogen. Um Ladungsneutralität herzustellen, diffundieren negativ geladene Anionen des Elektrolyten, zusammen mit Lösungsmittel, in das Polymergel hinein. Das Gel schwillt an. Wird die Spannung reduziert, werden die Elektronen zurück in das Polymer gedrückt und die Anionen samt Lösungsmittel aus dem Gel ausgestoßen, das Gel schrumpft. Wegen der hohen inneren Oberfläche, die mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt, verlaufen diese Prozesse extrem rasch. Durch die veränderten Dimensionen des Gitters ändert sich die Wellenlänge des Lichts, die das Material reflektiert. In Abhängigkeit von der angelegten Spannung lassen sich die Gitterdimensionen stufenlos einstellen, sodass das ganze Farbspektrum des sichtbaren Lichts durchlaufen werden kann. Bei 2 V erscheint das Gel beispielsweise rot, bei 1,6 V grün.

Originalveröffentlichung: Geoffrey A. Ozin et al.; "Electroactive Inverse Opal: A Single Material for All Colors"; Angewandte Chemie 2008

https://www.chemie.de/news/92947/in-allen-regenbogenfarben.html