20.03.2020 - Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Material mit Nebeleffekt schafft angenehmes Laserlicht

Extrem poröses Material aus „weißem Graphen“ für neue Laserlicht-Anwendungen entwickelt

Mit einer Porosität von 99,99 % besteht es praktisch nur aus Luft und gehört damit zu den leichtesten Stoffen der Welt: Aerobornitrid heißt das Material, das ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelt hat. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie damit eine zentrale Grundlage geschaffen haben, um Laserlicht als Leuchtelement zu verwenden. Basierend auf einer Bor-Stickstoff-Verbindung entwickelten sie eine dreidimensionale Nanostruktur, die Licht sehr stark streut und kaum absorbiert. Bestrahlt mit einem Laser gibt das Material eine gleichmäßige Beleuchtung ab, die je nach Lasertyp sehr viel effizienter und leistungsstärker als LED-Licht ist. Mit Laserlicht könnten Lampen für Autoscheinwerfer, Beamer oder Raumbeleuchtungen zukünftig kleiner und heller werden.

Mehr Licht auf kleinstem Raum

In Forschung und Industrie wird Laserlicht schon länger als „nächste Generation“ von Lichtquellen gesehen, die Leuchtdioden (LEDs) in ihrer Effizienz noch übertreffen könnten. „Für sehr helles oder viel Licht braucht man eine große Anzahl von LEDs und damit Platz. Die gleiche Menge an Licht könnte man aber auch mit einer um ein Tausendstel kleineren Laserstruktur erhalten“, unterstreicht Dr.-Ing. Fabian Schütt das Potential. Der Materialwissenschaftler aus der Arbeitsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“ der CAU ist Erstautor der Studie, an der weitere Forschende aus Deutschland, England, Italien, Dänemark und Südkorea beteiligt sind.

Leistungsstarke kleine Lichtquellen erlauben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Erste Testanwendungen wie in Autoscheinwerfern gibt es bereits, doch flächendeckend konnten sich Laserlampen noch nicht durchsetzen. Das liegt zum einem an dem intensiven, gerichteten Licht des Laserstrahls. Zum anderen ist Laserlicht monochromatisch, es besteht also aus nur einer Wellenlänge. Das führt zu einem unangenehmen Flackern, wenn ein Laserstrahl von einer Oberfläche reflektiert wird.

Poröse Struktur streut das Licht extrem stark

„Bisherige Entwicklungen zum Laserlicht arbeiten normalerweise mit Leuchtstoffen, sogenannten Phosphoren. Sie erzeugen allerdings ein relativ kaltes Licht, sind nicht langzeitstabil und wenig effizient“, sagt Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe. Das Kieler Forschungsteam setzt daher auf einen anderen Ansatz: Sie entwickelten eine stark streuende Nanostruktur aus Bornitrid, das auch als ,,weißes Graphen“ bezeichnet wird und extrem wenig Licht absorbiert. Diese Struktur besteht aus einem filigranen Netz unzähliger feiner Hohlröhren von wenigen Mikrometern. Trifft ein Laserstrahl darauf, wird er im Inneren der Struktur extrem stark gestreut und ein homogenes Licht wird abgegeben. „Unser Material wirkt quasi wie ein künstlicher Nebel, der ein gleichmäßiges, angenehmes Licht erzeugt“, erklärt Schütt. Die starke Streuung trägt außerdem dazu bei, dass störendes Flackern für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar ist.

Die Nanostruktur sorgt nicht nur dafür, dass das Material dem intensiven Laserlicht standhält, sondern kann auch verschiedene Wellenlängen streuen. Rotes, grünes und blaues Laserlicht lässt sich so mischen, um neben  normalem Weiß gezielte Farbeffekte zu kreieren – zum Beispiel für den Einsatz bei innovativen Raumbeleuchtungen. Hier könnten extrem leichtgewichtige Laserdioden in Zukunft zu ganz neuen Designkonzepten führen. „Um künftig mit LEDs konkurrieren zu können, muss allerdings auch die Effizienz von Laserdioden noch verbessert werden“, so Schütt. Für den Schritt vom Labor in die Anwendung sucht das Forschungsteam jetzt Industriepartner.   

Breite Anwendungsmöglichkeiten für Aeromaterialien

Mittlerweile können die Kieler Forschenden ihre Methode, hochporöse Nanostrukturen zu entwickeln, für unterschiedliche Ausgangswerkstoffe einsetzen, neben Bornitrid auch Graphen oder Graphit. Auf diese Weise entstehen immer mehr neue, leichtgewichtige Stoffe, sogenannte „Aeromaterialien“, die besonders innovative Anwendungen erlauben. Zurzeit forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Firmen und anderen Hochschulen unter anderem an der Entwicklung selbstreinigender Luftfilter für Flugzeuge.

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