Forschung

Farben aus farblosen Tropfen

27.02.2019 - Totalreflexion in Flüssigkeiten als Ursache für vielfältige Interferenzfarben.

Ganz ohne Farbstoffe erzeugen Tiere mit nanoskaligen Strukturen alle Farben des sichtbaren Spektrums. Pfauenfedern und Schmetterlingsflügel verdanken diesem Effekt ihre Farbenvielfalt. Doch mit kleinen Tropfen können auch größere Objekte eine bisher nicht bekannte Art von Interferenzfarben erzeugen. Wie nun Forscher von der Pennsylvania State University entdeckten, verursachten farblose Tropfen auf einer Oberfläche je nach Form und Einfallswinkel des Lichts kräftige Farbeindrücke von blau über grün bis gelb und rot. Mögliche Anwendungen sehen die Wissenschaftler in Sensoren oder Farbdisplays.

Wie so oft bei wissenschaftlichen Entdeckungen stand eine zufällige Beobachtung am Anfang. Lauren Zarzar und ihre Kollegen untersuchten farblose und durchsichtige Tropfen aus einem Wasser-Öl-Gemisch auf einer Oberfläche. Unter weißem Licht entstand ein bläulicher Schimmer, den sie sich erst nicht erklären konnten. „Ich bin mir sicher, dass viele Menschen diesen Effekt auch schon beobachtet haben“, sagt Zarzar. Doch eine Lichtbrechung an kugelförmigen Tropfen, die einem Regenbogen seine Farbenpracht verleiht, schied bei genauer Analyse rasch als Ursache aus. Denn im Unterschied zu sphärischen Wassertröpfchen in der Atmosphäre lagen die Labortropfen je nach Oberflächenspannung als mehr oder weniger flache Halbkugeln vor.

Den Grund für die Farbgebung entdeckten Zarzar und Kollegen bei der Analyse der Wege, die einfallendes Licht durch die Halbtropfen zurücklegte. Nachdem weißes Licht in einen Halbtropfen fiel, wurde es wie in einem Glasfaserkabel an der Grenzfläche zur Luft der Umgebung vollständig reflektiert. Je nach Einfallswinkel geschah diese Totalreflexion für jeden Lichtstrahl mehrere Male. Doch stimmten an einem Ort auf der Oberfläche des Tropfens die Phasen von Lichtwellen mit bestimmter Wellenlänge überein, kam es zu einer farbverstärkenden Überlagerung. Dank dieser konstruktiven Interferenz sah ein Beobachter unter einem festen Sichtwinkel genau eine bestimmte Farbe an der Grenzfläche der Halbtropfen.

Diesen Effekt der Totalreflexion von weißem LED-Licht untersuchten die Forscher danach systematisch. Sie wählten neben Wasser verschiedene transparente und farblose Flüssigkeiten wie Heptan oder Perfluorohexan. Jede Flüssigkeit wies einen anderen Brechungsindex zwischen 1,27 und 1,37 auf, der wie erwartet Einfluss auf die Wege der Lichtwellen und damit die Farbgebung hatte. Doch auch Größe und Form der Tropfen beeinflussten die sichtbaren Farbeffekte deutlich. Um verschiedene Tropfenformen zu erhalten, beschichteten sie die Oberflächen mit mehr oder weniger hydrophoben Materialien. Auf hydrophoben Flächen erhoben sich wässrige Tropfen höher, auf hydrophilen liefen sie dagegen breiter auseinander. „Diese Farben können wir sehr einfach kreiieren, indem wir die Oberflächenspannung der mikroskaligen Tropfen ausnutzen“, sagt Zazar.

Im Unterschied zu bekannten Strukturfarben aus periodisch angeordneten Nanostrukturen wie in Schmetterlingsflügeln konnten diese Interferenzfarben in Objekten erzeugt werden, die sogar Größenordnungen größer waren als die Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. Nach den Versuchen mit einer homogenen Flüssigkeit untersuchten die Forscher das Phänomen auch in mehrphasigen Tropfen. Die Beobachtungen bestätigten ihre Erklärung über die Totalreflexion der Lichtwellen an den Grenzflächen.

In einem weiteren Schritt folgten Versuche mit transparenten und farblosen Kunststoffnoppen auf einer Oberfläche. Auch damit ließen sich entsprechende Interferenzfarben dauerhafter als mit flüssigen Halbtropfen auf einer Fläche erzeugen. Nachdem sie das grundlegende Prinzip der farbgebenden Totalreflexion verstanden und mehrfach belegt haben, können sich Zazar und Kollegen konkrete Anwendung für Sensoren oder Farbbildschirme vorstellen. Sogar dauerhafte Farbeffekte auf Wänden wären theoretisch mit mikroskaligen Kunststoffhalbkugeln möglich. Doch wandelt sich die Farbgebung dabei sowohl abhängig vom Einfallswinkel weißen Lichts als auch vom Sichtwinkel eines Betrachters.

Jan Oliver Löfken

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