Forschung

Strukturfarben aus Zellulose-Polymeren

31.08.2020 - Selbstorganisation von responsiven photonischen Biomaterialien in flüssigen Murmeln.

Klare Oberflächen erscheinen farbig, wenn winzige, regelmäßige Struktur­elemente darin Licht reflektieren. Forscher haben jetzt eine Methode entwickelt, um derartige Struktur­farben aus einem zellulose­basierten Polymer herzu­stellen. Dafür verwendeten sie „flüssige Murmeln“, beschichtete Tröpfchen, die sich in anderen Flüssig­keiten halten können. Bei Veränderungen ihrer Umgebung wechseln die Tröpfchen ihre Farbe, was sie für biobasierte Sensoren und weiche photonische Elemente interessant macht.

Strukturfarben können ein Material ohne Farbstoff farbig machen. Statt­dessen erzeugt ein vollkommen transpa­rentes Material Farbe durch regel­mäßig angeordnete Moleküle oder andere Struktur­elemente, wie die wellen­förmigen Strukturen, die Fisch- oder Schmetter­lings­haut bunt schillern lassen oder die in definierten Abständen angeordneten Nano­kristalle in der farb­wechselnden Haut von Chamäleons.

Manos Anyfantakis und seine Kollegen von der Universität Luxemburg haben eine Möglichkeit gefunden, als solches Struktur­element für Struktur­farben die Ganghöhe von Polymeren – die Strecke einer vollen Helix­drehung – gezielt einzu­stellen. Solche farb­erzeugende Phasen –cholesterische Phasen genannt – sind für flüssig­kristalline Biopolymere bereits bekannt, aber ihre Herstellung hängt von vielen Parametern ab und benötigt bis zur Gleich­gewichts­einstellung viel Zeit.

Anyfantakis und seine Kollegen entdeckten nun, dass sich die Struktur­farben­phase von Biopolymeren in den flüssigen Murmeln von selbst einstellte und sich auch gut steuern ließ. Flüssige Murmeln sind milli­meter­große Tröpfchen einer flüssig­kristallinen Lösung, die mit Nanopartikeln beschichtet sind. Die Beschichtung schützt die Lösung vor der Vermischung mit der Flüssigkeit der Umgebung, lässt aber dennoch begrenzten Austausch zu.

In diesem Fall stellten die Wissen­schaftler die flüssigen Murmeln aus einer wässrigen Lösung von Hydroxy­propyl­cellulose her, einem Polymer auf Zellulose­basis. Die Beschichtung bestand aus Kieselsäure-Nanopartikeln. Diese flüssigen Murmeln waren zunächst farblos, aber bei längerem Stehen­lassen in einem definierten Volumen eines organischen Lösungs­mittels entwickelten sie leuchtende rote, grüne und blaue Farbtöne.

Die Farben entstehen durch eine Konzentrations­änderung in den Tröpfchen, so die Forscher. Das umgebene Lösungs­mittel entzog den flüssigen Murmeln allmählich Wasser und drängte das Biopolymer dadurch in seine für die Struktur­farbe geeignete Kristall­form. Die langsame, kontrol­lierte Extraktion sei entscheidend, betonen die Wissen­schaftler, denn das gebe den Polymer­molekülen genügend Zeit, sich an die Konzentrations­änderung anzupassen und die neue Ganghöhe im Gleich­gewicht einzustellen.

Die Methode sei elegant und einfach und die Farben seien gut über das Volumen des organischen Lösungs­mittels zu steuern, schreiben die Wissen­schaftler weiter. Sie setzten die flüssigen Murmeln auch externen Reizen wie Wärme, Druck oder Chemikalien aus, was zu charakte­ris­tischen Farb­ver­schiebungen entsprechend der veränderten Ganghöhe führte. Die Farb­ver­schiebung ließ sich auch wieder rück­gängig machen: Wieder unter den normalen Bedingungen kehrten die flüssigen Murmeln zu ihren ursprüng­lichen Farben zurück, beobachteten sie. Die Forscher glauben, dass ihr System aus flüssigen Murmeln mit Biopolymeren den Zugang für kosten­günstige, umwelt­freundliche und nach­haltige Sensoren bieten könnte.

W-VCH / RK

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