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May 02, 2024

Dies ist die hellste Farbe der Welt

Max G. Levy Debashis Chanda hatte Schwierigkeiten, einen Physiker zu finden, der malen konnte. Die Forscher in seinem Nanowissenschaftslabor an der University of Central Florida hatten die Probleme in der Nanotechnologie bereits herausgefunden

Max G. Levy

Debashis Chanda hatte Schwierigkeiten, einen Physiker zu finden, der malen konnte. Die Forscher in seinem Nanowissenschaftslabor an der University of Central Florida hatten bereits die Schwachstellen in den High-End-Maschinen herausgefunden, die für die Entwicklung einer revolutionären neuen Art von Kühlfarbe erforderlich waren. Sie hatten Fläschchen mit leuchtenden Farben gefüllt. Aber als es an der Zeit war, damit anzugeben, stießen sie an eine Wand. „Wir konnten kaum einen Schmetterling von Hand zeichnen, das ist eine Art Kinderzeichnung“, sagt Chanda.

Sie haben es trotzdem getan. Die Form und das vierfarbige Design sehen zwar schlicht aus, aber die Einfachheit täuscht. Wenn Sie tief hineinzoomen – in unsichtbare Dimensionen – ist diese Farbe fast überhaupt nicht mit der Farbe zu vergleichen, die Sie kennen.

Farbe umgibt uns in der Natur und wir erschaffen sie mit Pigmenten. Sie können sich Pigmente als pulverisierte Mineralien, Schwermetalle oder Chemikalien vorstellen, die wir in Öl schwenken und auf einer Leinwand oder einem Auto verteilen: Kobalt wird blau; ockerrot; Cadmiumgelb. „Aber die Natur hat eine ganz andere Art, Farben zu erzeugen als wir“, sagt Chanda. Einige der lebendigsten Looks der Natur – wie sie Pfauen, Käfer und Schmetterlinge tragen – funktionieren ohne Pigmente.

Diese Farben stammen aus der Topographie. Submikroskopische Landschaften auf den Außenflächen von Pfauenfedern, Käferpanzern und Schmetterlingsflügeln beugen Licht und erzeugen so sogenannte Strukturfarben. Es ist länger haltbar und pigmentfrei. Und für Wissenschaftler ist es der Schlüssel zur Entwicklung von Farben, die nicht nur besser für den Planeten sind, sondern uns auch dabei helfen könnten, in einer heißeren Welt zu leben.

In einem diesen Monat in Science Advances veröffentlichten Artikel stellte Chandas Labor eine einzigartige Farbe vor, die auf Strukturfarbe basiert. Sie denken, es sei die leichteste Farbe der Welt – und das meinen sie sowohl in Bezug auf Gewicht als auch Temperatur. Die Farbe besteht aus winzigen Aluminiumflocken, die mit noch winzigeren Aluminium-Nanopartikeln übersät sind. Das Zeug im Wert einer Rosine könnte sowohl die Vorder- als auch die Rückseite einer Tür bedecken. Es ist leicht genug, um möglicherweise den Treibstoffverbrauch in damit beschichteten Flugzeugen und Autos zu senken. Es speichert die Wärme des Sonnenlichts nicht wie Pigmente und seine Bestandteile sind weniger giftig als Farben, die aus Schwermetallen wie Cadmium und Kobalt bestehen.

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Dayna Baumeister, Co-Direktorin des Biomimicry Center der Arizona State University, ist nicht überrascht, dass die Farbe so viele versteckte Funktionen hat. „Es ist eine fantastische Demonstration dessen, was möglich ist, wenn wir unsere Designs überdenken, indem wir die Natur um Rat fragen“, sagt sie.

Trotz all seiner Unvollkommenheiten ist Farbe kaum zu übertreffen. Seit Jahrtausenden verwenden Menschen Pigmente, daher beherrschen die Farbenhersteller die Tricks, um das richtige Aussehen zu erzielen. „Sie wissen genau, welchen Zusatzstoff sie hinzufügen müssen, um den Glanz zu verändern; Sie können es heller oder abgeschwächt machen – das alles haben sie über Hunderte von Jahren herausgefunden“, sagt Chanda.

Neue Farbformen müssen darüber hinaus innovativ sein – im Bereich der Physik, nicht nur der Ästhetik. Dennoch stießen die Labormitarbeiter von Chanda zufällig auf ihre Innovation. Sie hatten sich nicht vorgenommen, Farbe herzustellen. Sie wollten einen Spiegel herstellen, insbesondere einen langen, durchgehenden Aluminiumspiegel, der mit einem Instrument namens Elektronenstrahlverdampfer hergestellt wurde. Aber bei jedem Versuch bemerkten sie kleine „Nanoinseln“, Ansammlungen von Aluminiumatomen, die klein genug waren, um unsichtbar zu sein, aber groß genug, um den Glanz des Spiegels zu stören. Überall auf der Oberfläche dessen, was jetzt – frustrierenderweise – kein durchgehender Spiegel war, erschienen Nanoinseln. „Es war wirklich nervig“, erinnert sich Chanda.

Dann kam eine Offenbarung: Diese Störung bewirkte etwas Nützliches. Wenn weißes Umgebungslicht auf Aluminium-Nanopartikel trifft, können Elektronen im Metall angeregt werden – sie oszillieren oder schwingen mit. Aber wenn die Dimensionen in den Nanobereich absinken, werden Atome besonders wählerisch. Abhängig von der Größe des Aluminium-Nanopartikels schwingen seine Elektronen nur bei bestimmten Lichtwellenlängen. Dadurch wird das Umgebungslicht als Bruchteil dessen zurückgeworfen, was es war: eine einzige Farbe. Das Auftragen von Aluminiumpartikeln auf eine reflektierende Oberfläche – wie den Spiegel, den sie zu bauen versucht hatten – hatte den farbenfrohen Effekt verstärkt.

Welche Farbe? Das hängt von der Größe der Nanoinseln ab. „Allein durch das Verschieben der Dimension kann man tatsächlich alle Farben erzeugen“, sagt Chanda. Im Gegensatz zu Pigmenten, die für jede Farbe ein anderes Grundmolekül – wie Kobalt oder lila Schneckenschleim – benötigen, ist das Grundmolekül für diesen Prozess immer Aluminium, das einfach in unterschiedlich große Stücke geschnitten wird, die bei unterschiedlichen Wellenlängen schwingen.

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Es war Zeit, Farbe herzustellen. Der Prozess der Gruppe beginnt mit einer sehr dünnen doppelseitigen Spiegelplatte. Die Forscher bedeckten jede Seite mit klarem Abstandsmaterial, das dabei hilft, den Farbeffekt zu verstärken. Dann ließen sie auf beiden Seiten der Folie Inseln aus metallischen Nanopartikeln wachsen. Um dieses Material mit den in Farben verwendeten Bindemitteln oder Ölen kompatibel zu machen, lösten sie große Blätter davon in bunte Flocken auf, die etwa so fein wie Puderzucker waren. Nachdem sie schließlich genug Farben für einen kleinen Regenbogen geschaffen hatten, konnten sie einen Schmetterling malen.

Da Strukturfarben mit nur einer dünnen, ultraleichten Schicht eine ganze Oberfläche bedecken können, glaubt Chanda, dass dies eine entscheidende Veränderung bedeuten wird – für Fluggesellschaften. Eine Boeing 747 benötigt rund 500 Kilogramm Lack. Er schätzt, dass seine Farbe mit 1,3 Kilogramm die gleiche Fläche bedecken könnte. Das sind mehr als 1.000 Pfund, die pro Flugzeug eingespart werden, was den Treibstoffverbrauch pro Flug reduzieren würde.

Perry Flint, ein Sprecher der International Airline Trade Association, hält diese Möglichkeit für plausibel. „Angesichts der Tatsache, dass Treibstoff bereits die größten Betriebsausgaben darstellt [ungefähr 30 Prozent im letzten Jahr], sind Fluggesellschaften immer daran interessiert, die Treibstoffeffizienz zu verbessern“, schrieb er in einer E-Mail an WIRED. Die Entwicklung effizienter neuer Formen von Flugzeugzellen und Triebwerken sei von entscheidender Bedeutung, sagt er, aber Gewichtsreduzierung bringe auch enorme Einsparungen. Als American Airlines pro Flug nur 67 Pfund an Pilotenhandbüchern einsparte, schätzte das Unternehmen, dass es jährlich 400.000 Gallonen Treibstoff und 1,2 Millionen US-Dollar einsparen würde. Im Jahr 2021 führte AA eine neue Lackierung ein, die das Gewicht der 737 um 62 Pfund reduzierte und 300.000 Gallonen pro Jahr einsparte.

Strukturfarbe kann auch länger halten. (Einige Fluggesellschaften lackieren Flugzeuge alle vier Jahre neu.) Pigmentmoleküle zerfallen im Sonnenlicht, die Strukturfarbe verblasst jedoch nicht. „Wir haben alle diese Möglichkeiten, Pigmente zu fixieren, um zu verhindern, dass sie oxidieren und ihre Farbe verlieren. Oder es verblasst und wir werfen es auf die Mülldeponie“, sagt Baumeister, der auch Mitbegründer der Beratungsfirma Biomimicry 3.8 ist. „Aber wenn Farbe für die Ewigkeit – für das Leben des Organismus – benötigt wird, ist Strukturfarbe zu bevorzugen.“

Chandas Team erkannte außerdem, dass Strukturfarbe im Gegensatz zu herkömmlicher Farbe keine Infrarotstrahlung absorbiert und somit keine Wärme speichert. („Das ist der Grund, warum Ihr Auto in der heißen Sonne heiß wird“, sagt er.) Der neue Lack ist im Vergleich dazu von Natur aus kühlend: Basierend auf den vorläufigen Experimenten des Labors kann er Oberflächen um 20 bis 30 Grad Fahrenheit kühler halten als herkömmlicher Lack.

Baumeister geht davon aus, dass es weit über die Luftfahrt hinaus Verwendungszwecke hat, unter anderem bei der Vermittlung des „städtischen Wärmeinseleffekts“, der in Städten hohe – manchmal sogar tödliche – Temperaturen erzeugt. „Man kann sich Autos vorstellen. Sie können sich Bürgersteige vorstellen“, sagt sie. „Sogar Bauprodukte, bei denen man sich aus ästhetischen Gründen einen dunkleren Farbton wünschen würde – sei es eine Terrasse oder eine Fassadenverkleidung –, aber das erhöht natürlich die Wärmebelastung des Gebäudes.“ (Einige Forscher experimentieren bereits mit der Verwendung von Farbe zur Kühlung von Dächern und Gehwegen.)

Und die Kühlung von Gebäuden ohne Stromverbrauch würde eine nachhaltigere Infrastruktur schaffen. „Wenn die Außentemperatur 95 Grad beträgt und man sie unter 80 Grad halten kann, ergeben sich enorme Einsparungen bei Klimaanlage und Energie“, sagt Chanda.

Die Skalierung der Produktion von Fläschchen auf Bottiche wird eine Herausforderung sein, etwas, das Chandas Labor gemeinsam mit kommerziellen Partnern versuchen möchte. („Ein akademisches Labor ist immer noch keine Fabrik“, sagt er.) Basierend auf ihrer Beratungserfahrung in der Biomimikry prognostiziert Baumeister, dass die ersten Anwendungen klein sein könnten: vielleicht für die Elektronik oder in der wärmeempfindlichen Fertigung. Sie bleibt jedoch zuversichtlich, dass bioinspirierte Innovationen auch in den größten Dimensionen, etwa der städtischen Infrastruktur, Einzug halten werden. „Die Zukunft der Menschheit auf dem Planeten hängt davon ab, einen Weg zu finden, wie wir uns mit der Natur in Einklang bringen können“, sagt sie.