Ohne Farbstoffe – und doch bunt schillernd

In vielen Farben schillern die Flügel bunter Schmetterlinge. Doch dafür sind nicht etwa Farbstoffe verantwortlich, sondern filigrane Strukturen: Sie reduzieren oder verstärken die Reflexion bestimmter Farben. Diesen Effekt übertrugen Forscher nun auf kleine Objekte aus dem 3D-Drucker. Sie stellten verschiedenartige, bunt schillernde Objekte her, wie sie in den Fachzeitschriften „Proceedings of the National Academy of Sciences“ und „Advanced Functional Materials“ berichten. Lediglich in den jeweiligen Rezepten für die Druckertinte unterscheiden sich die beiden Ansätze.

Entscheidend für die schillernden Strukturen ist ein bestimmter Effekt: Für diesen müssen die Abmessungen der winzigen Strukturen etwa so groß wie die jeweils reflektierten Wellenlängen des Lichts sein. Fällt sichtbares Licht auf die Objekte, werden dann nur bestimmte Farben reflektiert, andere dagegen nicht. Materialien, die basierend auf diesem Effekt farbig erscheinen, heißen auch Strukturfarben.

Als ein solches Material wählten Luoran Shang und ihre Kollegen von der Fudan-Universität in Shanghai Flüssigkristalle, die sich einerseits wie eine Flüssigkeit verhalten und andererseits auch eine strenge Anordnung der Moleküle wie in Kristallen aufweisen. Die Forscher verwendeten hierzu lange, stäbchenförmige Moleküle, die sich zu winzigen Spiralen anordnen. Diese Flüssigkristalle vermischten sie mit Gelatine und speziellen Kunststoffen, um eine flüssige, druckbare Tinte zu erhalten. Zusätzlich fügten sie Nanoröhrchen aus Kohlenstoff hinzu, die einfallendes Licht gut absorbieren können. Damit lässt sich nach Aussage der Forscher der Farbeffekt der gedruckten Strukturfarbe verstärken.

In mehreren Testläufen druckten Shang und ihre Kollegen zahlreiche kleine Objekte von Spiralen und Pyramiden bis hin zu einem winzigen Schmetterling. Je nach Zusammensetzung der Druckertinte ließen sich so Färbungen von Violett über Gelb und Grün bis Rot erreichen. Zudem veränderten die Objekte ihre Farben je nach Temperatur und Feuchtigkeit. Dank dieser Eigenschaft wären die gedruckten Objekte sogar als einfache Sensoren geeignet, die durch ihre Farbe beispielsweise anzeigen, wie warm oder trocken es in der Umgebung ist.

Auch die Arbeitsgruppe um Silvia Vignolini von der University of Cambridge nutzte für ihre Druckertinte ähnliche Strukturfarben auf der Basis von Flüssigkristallen. Sie fügten zwar keine Nanoröhrchen hinzu, was die gedruckten Objekte weniger stark farbig schillern ließ. Allerdings nutzte Vignolini nur Wasser als Zusatz für ihre Druckertinte. Damit ist ihre Tinte vollständig biologisch abbaubar und umweltfreundlicher.