(Brian E. Kushner/Getty Images) Aus Vogelfedern Zu Fruchtschalen , die natürliche Welt hat zwei Hauptarten der Darstellung von Farben: durch Pigmentsubstanzen die eine selektive oder durchdringende Farbabsorption ermöglichen Strukturfarbe – die Verwendung mikroskopischer Strukturen zur Steuerung der Lichtreflexion.
Jetzt haben Wissenschaftler ein Computermodell entwickelt, das erklärt, warum die hellsten matten Strukturfarben in der Natur fast immer Blau und Grün sind: Denn das sind die Grenzen der Strukturfarbe innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums.
Die Forschung liefert uns nicht nur ein besseres Verständnis darüber, wie die leuchtendsten Blau- und Grüntöne in der Natur entstehen, sondern könnte auch für die Entwicklung lebendiger, umweltfreundlicher Farben und Beschichtungen von Bedeutung sein, die mit der Zeit nicht verblassen oder giftige Chemikalien freisetzen.
„Zusätzlich zu ihrer Intensität und Lichtbeständigkeit wäre ein Mattlack mit Strukturfarbe auch weitaus umweltfreundlicher, da keine giftigen Farbstoffe und Pigmente erforderlich wären.“ sagt der Physiker Gianni Jacucci von der University of Cambridge im Vereinigten Königreich.
„Allerdings müssen wir zunächst verstehen, welche Einschränkungen bei der Reproduktion dieser Farbtypen bestehen, bevor kommerzielle Anwendungen möglich sind.“
Bei Strukturfarben bestimmt das nanoskalige Gerüst auf der Oberfläche die eigentliche Farbe.
Manchmal – wie zum Beispiel bei Pfauenfedern – kann diese Farbe schillern und in verschiedenen Winkeln und bei unterschiedlichem Licht zwischen den Farbtönen wechseln. Diese entstehen durch geordnete kristalline Strukturen.
Pfauenfedern sind ein klassisches Beispiel für Strukturfarben. (Tj Holowaychuk/Unsplash)
Bei anderen Strukturen erhält man eine matte Farbe, die sich durch ungeordnete Strukturen nicht verändert; In der Natur wurde dies nur bei der Erzeugung von Blau- und Grüntönen beobachtet. Ziel der neuen Studie war es herauszufinden, ob dies eine inhärente Einschränkung dieser Strukturen darstellt.
Das neue Computermodell, das auf künstlichen Materialien namens photonischen Gläsern basiert, zeigt, dass Rot tatsächlich außerhalb des Anwendungsbereichs der Streutechniken hinter matten Strukturfarben liegt: Der langwellige Bereich des sichtbaren Spektrums kann mit den Techniken von nicht einfach reflektiert werden diese mikroskopisch kleinen Oberflächenstrukturen.
„Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen Einfachstreuung und Mehrfachstreuung sowie den Beiträgen der korrelierten Streuung haben wir festgestellt, dass neben Rot auch Gelb und Orange kaum erreicht werden können.“ sagt Chemikerin Silvia Vignolini , von der Universität Cambridge.
Pflaumenkehl-Cotingas zeigen lebendige, strukturell matte Blautöne. ( redabbott/iNaturalist/CC-BY-NC )
Dies muss der Grund sein, warum leuchtend matte Rottöne mithilfe natürlicher Pigmente und nicht mit Strukturfarben hergestellt werden. Das Team geht davon aus, dass die Evolution in der Natur aufgrund der Grenzen der zugrunde liegenden Strukturen zu unterschiedlichen Arten der Erzeugung roter Farben geführt hat.
Wenn wir mehr darüber wissen, wie diese matten Strukturfarben entstehen, kommen wir der Herstellung von Farben ohne Pigmente und Farbstoffe näher – ein bedeutender Fortschritt bei langlebigen, umweltfreundlichen Materialien für viele Anwendungen.
Das liegt allerdings noch in weiter Ferne, und es sieht so aus, als ob für Rot- und Orangetöne ein anderer Ansatz erforderlich sein wird – andere Arten von Nanostrukturen könnten diese Aufgabe erfüllen, nachdem detailliertere Untersuchungen durchgeführt wurden, aber vorerst Materialwissenschaftler haben die gleichen Probleme wie die Natur.
„Wenn wir versucht haben, eine matte Strukturfarbe für Rot- oder Orangetöne künstlich nachzubilden, erhalten wir ein Ergebnis von schlechter Qualität, sowohl was die Sättigung als auch die Farbreinheit angeht.“ says chemist Lukas Schertel , von der Universität Cambridge.
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .