Der Forscher Debashis Chanda von der University of Central Florida, Professor am NanoScience Technology Center der UCF, hat sich von Schmetterlingen inspirieren lassen, um die erste umweltfreundliche, großflächige und mehrfarbige Alternative zu pigmentbasierten Farbstoffen zu schaffen, die zu Energiesparbemühungen beitragen und helfen kann die globale Erwärmung reduzieren.
Die Entwicklung wurde heute in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte als Sonderartikel.
„Die Bandbreite an Farben und Schattierungen in der Natur ist erstaunlich – von farbenfrohen Blumen, Vögeln und Schmetterlingen bis hin zu Unterwasserlebewesen wie Fischen und Kopffüßern“, sagt Chanda. „Strukturfarbe dient als primärer Farberzeugungsmechanismus bei mehreren extrem lebhaften Arten, bei denen die geometrische Anordnung von typischerweise zwei farblosen Materialien alle Farben erzeugt. Auf der anderen Seite werden bei künstlichen Pigmenten für jede vorhandene Farbe neue Moleküle benötigt.“
Basierend auf solchen Bio-Inspirationen entwickelte Chandas Forschungsgruppe eine plasmonische Farbe, die eine nanoskalige strukturelle Anordnung von farblosen Materialien – Aluminium und Aluminiumoxid – anstelle von Pigmenten nutzt, um Farben zu erzeugen.
Während Pigmentfarbstoffe die Lichtabsorption basierend auf der elektronischen Eigenschaft des Pigmentmaterials steuern und daher jede Farbe ein neues Molekül benötigt, steuern Strukturfarbstoffe die Art und Weise, wie Licht reflektiert, gestreut oder absorbiert wird, allein basierend auf der geometrischen Anordnung von Nanostrukturen.
Solche Strukturfarben sind umweltfreundlich, da sie im Gegensatz zu gegenwärtigen Farben auf Pigmentbasis, die künstlich synthetisierte Moleküle verwenden, nur Metalle und Oxide verwenden.
Die Forscher haben ihre strukturellen Farbflocken mit einem kommerziellen Bindemittel zu langlebigen Farben aller Farben kombiniert.
„Normale Farbe verblasst, weil das Pigment seine Fähigkeit verliert, Photonen zu absorbieren“, sagt Chanda. „Hier sind wir nicht durch dieses Phänomen eingeschränkt. Sobald wir etwas mit struktureller Farbe gemalt haben, sollte es Jahrhunderte lang bleiben.“
Da plasmonische Farbe das gesamte Infrarotspektrum reflektiert, wird außerdem weniger Wärme von der Farbe absorbiert, was dazu führt, dass die darunter liegende Oberfläche 25 bis 30 Grad Fahrenheit kühler bleibt, als wenn sie mit handelsüblicher Standardfarbe bedeckt wäre, sagt der Forscher.
„Über 10 % des gesamten Stromverbrauchs in den USA wird für die Nutzung von Klimaanlagen verwendet“, sagt Chanda. „Der Temperaturunterschied, den plasmonische Farbe verspricht, würde zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Weniger Strom zum Kühlen zu verbrauchen, würde auch die Kohlendioxidemissionen senken und die globale Erwärmung verringern.“
Plasmonische Farbe ist außerdem extrem leicht, sagt der Forscher.
Dies ist auf das große Verhältnis von Fläche zu Dicke der Farbe zurückzuführen, wobei eine vollständige Färbung bei einer Farbdicke von nur 150 Nanometern erreicht wird, was sie zur leichtesten Farbe der Welt macht, sagt Chanda.
Die Farbe ist so leicht, dass nur etwa 3 Pfund plasmonische Farbe eine Boeing 747 bedecken könnten, die normalerweise mehr als 1.000 Pfund herkömmlicher Farbe benötigt, sagt er.
Chanda sagt, dass sein Interesse an strukturellen Farben auf die Lebendigkeit von Schmetterlingen zurückzuführen ist.
„Als Kind wollte ich immer einen Schmetterling bauen“, sagt er. „Farbe weckt mein Interesse.“
Zukunftsforschung
Chanda sagt, dass die nächsten Schritte des Projekts die weitere Untersuchung der energiesparenden Aspekte der Farbe umfassen, um ihre Lebensfähigkeit als kommerzielle Farbe zu verbessern.
„Die herkömmliche Pigmentfarbe wird in großen Anlagen hergestellt, in denen sie Hunderte von Gallonen Farbe herstellen können“, sagt er. „Im Moment ist es immer noch teuer, in einem akademischen Labor zu produzieren, es sei denn, wir durchlaufen den Scale-up-Prozess.“
„Wir müssen etwas anderes wie Ungiftigkeit, Kühleffekt, ultraleichtes Gewicht auf den Tisch bringen, was andere herkömmliche Farben nicht können“, sagt Chanda.
Mehr Informationen:
Pablo Cencillo-Abad et al., Ultraleichte plasmonische Strukturfarbe, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf7207