Winkelunabhängige Strukturfarben für weiche Materie

Eine Prise Ruß verleiht porösen Hydrogelen leuchtend helle Strukturfarben, die unabhängig vom Betrachtungswinkel sind

04.11.2015 - Japan

Eine Frage des Blickwinkels: Strukturfarben, die auf einen Reiz hin verändert werden können, gelten als äußerst interessant für Displays und Sensoren, aber ihr Farbton oder ihre Intensität kann bei flachen Betrachtungswinkeln abfallen. Japanische Wissenschaftlern haben jetzt ein poröses Hydrogel hergestellt, dessen leuchtende Strukturfarben sich gezielt durch Wärme einstellen lassen und die unabhängig vom Betrachtungswinkel sind.

Reizempfindliche Strukturfarben sind zum Beispiel Bestandteil von Chamäleonhaut oder der Haut von manchen Fischen. In der Natur bewirken Helligkeitsübergänge oder andere Umweltfaktoren Farbwechsel der Strukturfarben, indem sich durch Winkeländerung die Streuwellenlänge ändert. Bei künstlichen weichen Strukturen kann man durch die Temperatur ein Zusammenziehen oder Schwellen der farbgebenen Struktur hervorrufen. Ein Hydrogel, das auf Wärme mit Volumenänderung reagiert, haben nun Yukikazu Takeoka und seine Kollegen von der Universität Nagoya in Japan auf Basis eines Templats aus feinen Siliciumdioxid-Arrays hergestellt. Die poröse Struktur des Hydrogels zieht sich zusammen, ähnlich wie die Effekte in der Chamäleonhaut. "Die rasche Reaktion beruht auf der durchgehenden Porenstruktur infolge des kolloidalen amorphen Arrays", erklären die Wissenschaftler. Allerdings lässt inkohärente Streuung die Oberfläche des Hydrogels einfach weiß erscheinen.

Um die Strukturfarben des Arrays sichtbar zu machen, genügte dann aber ein winziger Zusatz von Ruß. "Im Ergebnis konnten wir aus den kolloidalen amorphen Arrays Strukturfarben erkennen, indem wir die inkohärente wellenlängenunabhängige Lichtstreuung im gesamten sichtbaren Bereich reduzierten und somit die Sättigung mit der Strukturfarbe verstärkten", erklären die Wissenschaftler. Der Rußeffekt blieb auch im thermosensitiven Hydrogel erhalten. Takeoka und seine Kollegen beobachten: "Die Hydrogele mit einem Rußgehalt von kleiner 0.1% zeigen leuchtende Strukturfarben, die wechseln, wenn sich das Volumen aufgrund unterschiedlicher Wassertemperaturen ändert." Die neuen rußdotierten Hydrogele sind daher neue weiche Materialien mit justierbaren Strukturfarben.

Was diese porösen farbigen Hydrogele jedoch besonders interessant macht, ist ihre Unabhängigkeit vom Beobachtungswinkel. Materialien wie Opale, die ebenfalls Strukturfarben aufweisen, konnten bislang nicht für Displays eingesetzt werden, weil ihre Farbe bei flachen Betrachtungswinkeln schwankt. Dennoch sind einstellbare Strukturfarben in Displays sehr vorteilhaft, weil sie ohne Filter auskommen. Als Anwendung für ihre neuartigen thermosensitiven porösen Hydrogele schweben den Autoren daher Vollfarbdisplays und Sensoren vor, die breite Betrachtungswinkel verlangen. Andere Einsatzmöglichkeiten seien die biochemische Sensorik und elektronische Papiere.