Wenn die Sommersonne vom Himmel brennt, ist bekanntlich Kühlung gefragt: Abschattungen, Ventilatoren oder Klimaanlagen müssen Objekte und Menschen vor Überhitzung schützen. Dabei ist der Aufwand oft hoch und Kühlsysteme verbrauchen viel Energie und Ressourcen. Um den Bedarf einzuschränken, sollten Oberflächen deshalb von vornherein möglichst so konzipiert sein, dass sie sich wenig erwärmen. Dabei hat sich bekanntlich die Farbe Weiß bewährt. Denn sie basiert auf einer breiten Reflexion des Lichtspektrums, wodurch eine Erwärmung von Oberflächen eingeschränkt wird. Bei bunten Farben ist das leider nicht der Fall: Wenn traditionelle Pigmentfarben beispielsweise Blau erzeugen, werden nur die entsprechenden Wellenlängen abgestrahlt – andere hingegen absorbiert, wodurch es zur Erwärmung kommt.
Vorbild Morphofalter
Um das Problem zu umgehen, hat das chinesische Forscherteam um Guo Ping Wang von der Universität Shenzhen nun das Potenzial einer anderen Form der Farberzeugung in der Natur ausgelotet. Statt durch Pigmente und die Absorption bestimmter Wellenlängen basieren Strukturfarben auf der optischen Beeinflussung des Lichts durch feine Oberflächenstrukturen. Das Konzept wurde schon für effektive passive Wärmemanagementstrategien genutzt. Doch dabei blieb es meist bei der Farbe Weiß. „Eine Strategie zur Abkühlung farbiger Objekte bei gleichzeitiger Erhaltung hervorragender Farbeigenschaften mit hoher Sättigung und aus vielen Blickwinkeln stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar“, schreiben die Forscher.
Bei ihrer neuen Entwicklung haben sie sich nun an den Strukturen der Flügel eines besonders satt-blauen Schmetterlings orientiert. Beim Morphofalter führen spezielle Nanostrukturen der Schuppen-besetzten Flügel zu dieser Farbe, die auch aus verschieden Betrachtungswinkeln kräftig erscheint. Dem Team gelang es nun, dieses Konzept künstlich nachzuahmen. Sie setzten es dabei in die Form einer bio-inspirierten Folie aus Schichtstrukturen um. Zuoberst liegen dabei mehrere Schichten aus Titandioxid- und Aluminiumdioxid-Material. Darauf folgt eine Lage aus strukturiertem Glas mit speziellen optischen Eigenschaften. Zuunterst wird die Folie von einer hauchdünnen Silberschicht abgeschlossen. Sie sorgt für eine grundlegende Reflexion und damit eine stark eingeschränkte Lichtabsorption.
Wie die Forscher erklären, wird die Farbe der Folie dadurch bestimmt, wie die Titandioxid- und Aluminiumdioxid-Schichten und die strukturierte Glas-Lage auf einfallendes Licht reagieren. Durch leichte Anpassungen des Systems lassen sich ihnen zufolge dabei auch verschiedene Farben erzeugen. Um Blau – ähnlich wie beim Vorbild des Morphofaltes – hervorzubringen, sind das mehrschichtige Titandioxid und Aluminiumdioxid-Material so angeordnet, dass sie gelbes Licht in einem sehr engen Winkelbereich reflektieren. Die Glasstrukturen streuen hingegen die blauen Lichtanteile über einen weiten Bereich. Unterm Strich ergibt sich dadurch ein sattes Blau, erklärt das Team.
