Metamaterial erzeugt Farbpalette für Metalle und Co

Realisierung durch Feinstruktur der Beschichtung auf Nanometer-Skala

Materialfarbe hängt von Aluminiumoxid-Schichtdicke ab (Foto: Henning Galinski)

Zürich (pte017/28.11.2016/10:30) Forscher der ETH Zürich http://ethz.ch haben erstmals Metamaterialien mit einer netzwerkartigen Nanostruktur zur Herstellung einer ganzen Palette an intensiven Farben zum Beispiel für Metallbeschichtungen genutzt. Dabei sind die Experten lediglich dem Vorbild der Natur gefolgt. Denn diese wendet das Prinzip schon lange an - zum Beispiel bei der Gefiederfarbe bestimmter Vogelarten in Südamerika.

Einfach und großflächig anwendbar

Die Farben kommen aufgrund einer auf der Nanometer-Skala speziellen Feinstruktur des Beschichtungsmaterials zustande. Im Gegensatz zu anderen, bestehenden Strukturfarben lässt sich das neue Herstellungsprinzip sehr einfach großflächig anwenden. Außerdem sind die Farben ausgesprochen intensiv und das Material äußerst kratzfest. Beim verwendeten Material handelt es sich um einen Zwei-Schichten-Designer-Werkstoff. Die untere Schicht ist ein von winzigen Hohlräumen durchsetztes metallisches Netzwerk. Es besteht aus einer Legierung aus Platin, Yttrium und Aluminium.

Die Forscher erzeugten die Hohlräume durch einen einfachen Ätzprozess. Auf dieses "Nano-Schwamm-Netzwerk" trugen sie in der Folge eine sehr dünne Oxidschicht auf. Der entstehende Farbeindruck hängt von der Dicke dieser Aluminumoxid-Schicht ab: Eine Zwölf-Nanometer-Schicht macht das Material grünlich, eine 24-Nanometer-Schicht gelb, eine 28-Nanometer-Schicht orangefarben, eine 48-Nanometer-Schicht blau und eine 53-Nanometer-Schicht violett.

"Die Farbe entsteht aufgrund der Wechselwirkung des Umgebungslichts mit den beiden Materialschichten und insbesondere der ungeordneten Grenzschicht zwischen den beiden Materialien. In dieser Grenzschicht können wir sehr gezielt Licht bestimmter Wellenlängen einfangen und konzentrieren", sagt ETHZ-Erstautor Henning Galinski. Zur theoretischen Erklärung des Funktionsprinzips wurden Simulationen am Computer eingesetzt.

"Unser Ansatz ist extrem fehlertolerant"

Bisherige Strukturfarben haben in der Regel einen sich periodisch wiederholenden Aufbau, welcher den Farbeindruck bestimmt. Dies hat den Nachteil, dass bereits kleinste Defekte die optischen Eigenschaften massiv verändern. Die von Galinski und seinen Kollegen entwickelten Netzwerke folgen hingegen keiner klaren Ordnung. Die Hohlräume des Netzwerks sind zwar ähnlich groß, aber nicht genau gleich. Die Eigenschaften werden von der durchschnittlichen Hohlraumgröße bestimmt, nicht jedoch von der Größe jedes einzelnen Hohlraums.

"Unser Ansatz beruht auf Unordnung, nicht auf der präzisen Herstellung von sich millionenfach repetierenden Untereinheiten. Daher ist unser Ansatz extrem fehlertolerant", erklärt Galinski. "Außerdem kann man unseren Ätz- und Beschichtungsprozess großflächig anwenden, auch auf mehreren Quadratmeter großen Flächen." Bisherige Strukturfarben seien wegen ihrer aufwendigen und teuren Herstellung meist auf einen kleineren Maßstab beschränkt gewesen.

Anwenden könnte man die Strukturfarben zum Beispiel für sehr dünne Sicherheitsmerkmale in Geldscheinen oder um damit Fahrzeug- oder Flugzeug-Karosserien zu färben, im Militärbereich auch für Tarnanstriche. "Wir verstehen unser System aber auch als Plattform, auf deren Basis zahlreiche Weiterentwicklungen möglich sind", sagt Galinski. Das neue Metamaterial sei auch für Energiesysteme wie Dünnschicht-Solarzellen interessant. "Wir haben ein extrem dünnes Material entwickelt, in dem an einzelnen Punkten Licht konzentriert und perfekt absorbiert wird", resümiert Galinski. Damit könne man eine äußerst effiziente Lichtsammelfalle entwickeln.

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