Forscher der Universität Kobe haben eine neue „strukturelle Farbtinte“ entwickelt, die nur 100–200 Nanometer dick ist und aus einem weiten Betrachtungswinkel lebendige Farben zeigt, ohne zu verblassen, und dabei weniger als ein halbes Gramm pro Quadratmeter (0,002 Unzen pro Quadratfuß) wiegt. Herkömmliche Farben und Pigmente absorbieren bestimmte Lichtwellenlängen und reflektieren andere. Dadurch werden sie jedoch häufig auf molekularer Ebene abgebaut, was zum Ausbleichen führt.
Strukturfarben hingegen reflektieren das gesamte Lichtspektrum paralleler Nanostrukturen, die genau den richtigen Abstand voneinander haben, um bestimmte Lichtwellenlängen auszulöschen. Es ist dieser Effekt, der Schmetterlingsflügeln und Pfauenfedern ihre wunderschöne, glänzende Farbe verleiht. Da das Licht nicht absorbiert, sondern nur von der Struktur reflektiert wird, verblasst die Farbe nicht, aber der Effekt hängt oft stark vom Betrachtungswinkel ab, was zu einem schillernden Regenbogen von Farben führt, die von Natur aus sehr schön sind, für die meisten Industriefarben jedoch etwas unorthodox sind.
Das Kobe-Team erforschte eine neue Möglichkeit, strukturelle Farben zu erzeugen. Anstelle paralleler Nanostrukturen werden bei ihrer Methode winzige kristalline Siliziumkügelchen verwendet. Durch ein Phänomen namens „Mie-Resonanz“ reflektieren diese nanoskaligen Kugeln bestimmte Wellenlängen viel stärker als andere, und diese Wellenlängen variieren, wenn sich die Partikelgröße ändert.
Mit anderen Worten: Eine Änderung der Größe dieser Partikel verändert die Farbe des Materials. Da die Kugel das Licht in alle Richtungen reflektiert, entsteht kein Regenbogeneffekt. Forscher haben gezeigt, dass diese Tinten gedruckt werden können. Es ist erwähnenswert, dass die Farbe am stärksten ist, wenn die Nanokügelchen etwas Platz um sich herum haben und nicht dicht aneinander gepackt sind, also ist weniger mehr.
„Eine Schicht aus spärlich verteilten Silizium-Nanopartikeln mit einer Dicke von nur 100 bis 200 Nanometern kann lebendige Farben zeigen, wiegt aber weniger als ein halbes Gramm pro Quadratmeter. Damit gehören unsere Silizium-Nanopartikel zu den leichtesten der Welt“, sagte der Kobe-Materialingenieur Hiroshi Sugimoto in einer Pressemitteilung.
Die Luftfahrtindustrie ist einer der Bereiche, in denen ultraleichte Beschichtungen am meisten benötigt werden. Laut SimpleFlying liegt das Gewicht der Farbe, die in Passagierflugzeugen transportiert wird, zwischen 272 und 544 Kilogramm (600 bis 1.200 Pfund), und alles, was das Flugzeug transportiert, wirkt sich direkt auf die Treibstoffeffizienz aus.
„Wenn wir Tinte auf Basis von Nanokügelchen verwenden, können wir das Gewicht möglicherweise auf weniger als 10 Prozent reduzieren“, sagte Sugimoto.
Wo auch immer das Flugzeug hinfliegt, es verbraucht also etwas weniger Treibstoff – etwa so viel, als wenn fünf oder sechs erwachsene männliche Passagiere weniger wären.
Darüber hinaus verblasst gewöhnliche Farbe leicht, so dass bis zu 455 Liter (120 Gallonen) Farbe neu gestrichen werden müssen, was 200.000 US-Dollar kostet. Diese neuen Strukturfarbtinten sind absolut farbecht. Obwohl sie im Vorfeld teurer sind, können sie unbegrenzt verwendet werden, was zu Kosteneinsparungen über die gesamte Lebensdauer des Flugzeugs führt.
Verkehrsflugzeuge können oft jahrzehntelang eingesetzt werden, und sobald diese ultradünnen Strukturfarbtinten in Produktion gehen können, bestehen gute kommerzielle Aussichten.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift ACS Applied Nanomaterials veröffentlicht und das Video unten zeigt die Tinten.