Viel mehr als bunt

Galinski macht ein weiteres Beispiel: Gemeinsam mit der Empa haben die ETH-Wissenschaftler das Sensorkonzept auf Textilien übertragen. «Wir haben ein thermo-chromisches System auf textile Fasern aufgebracht, das hitzebedingte Materialschäden farblich signalisiert.» Das kann unter Umständen lebensrettend sein. Feuerwehrleute sind oft Situationen ausgesetzt, die sehr kritisch sind. Überhitzt ein Material wie ein Seil oder Kleidungsstück wegen Feuer oder starker Reibung, wird seine Funktion beeinträchtigt. Die Änderung der Farbe signalisiert den Schaden und warnt vor dem weiteren Gebrauch.

Damit wird die Farbe zum Abbild der Funktion und zu einer sensorischen Komponente. «Wir Menschen beurteilen ja den ganzen Tag unsere Umwelt anhand der Farben. Rot im Strassenverkehr bedeutet zum Beispiel ‹Stopp›», sagt Galinski. Und Spolenak ergänzt: «Die Materialschäden sind im Grunde mikroskopisch klein, aber unser Schichtsystem verstärkt die Effekte und so werden sie durch die Farbänderung schliesslich mit blossem Auge sichtbar.» Das System auf den textilen Fasern besteht aus mehreren Schichten. Auf die Temperatur reagiert allerdings nur die äusserste, die lediglich 20 Nanometer dünn ist. Sie kristallisiert und die Farbe ändert sich.

Wenig Material, viel Licht

«Wir interessieren uns aber auch für grossflächige Lichtwechselwirkungen, die auf dünnen Schichten basieren», erzählt Ralph Spolenak. Dies aus gutem Grund: Wenn viel Licht in wenig Material eingefangen werden kann, bis es vollständig absorbiert ist, hat das ein enormes Potenzial im Bereich Solarzellen und anderen Energiematerialien. «Braucht diese Art der Lichtkonzentration, die auch zur Farbentstehung verwendet werden kann, nur ein geringes 
Materialvolumen, ist das sehr effizient», ergänzt der Physiker Galinski.

Kürzlich hat die Gruppe von Spolenak ein Prinzip entwickelt, um mit nanoskopischen Netzwerken effizient Licht einzufangen. Diese Netzwerke bestehen aus einer speziellen Legierung und erlauben es weitgehend unabhängig vom Lichteinfallswinkel bis zu 99 Prozent des Lichts zu absorbieren.

Bereits vor ein paar Jahren hat die Gruppe gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam erfolgreich ein Prinzip entwickelt, um Metallbeschichtungen in verschiedenen Farben herzustellen. Das Beschichtungsmaterial besteht aus einer speziellen Feinstruktur, die sich aus zwei unterschiedlichen Schichten zusammensetzt. Die untere Schicht besteht aus einem Netzwerk aus Metallen, das von winzigen Poren durchsetzt ist. Der obere Teil besteht aus einer dünnen Oxidschicht. Die Farbe entsteht vor allem durch die Wechselwirkung des Lichts mit der ungeordneten Grenzschicht der beiden Materialien. Dabei bestimmt die Dicke dieser Schicht die Farbe: 12 Nanometer machen das Material beispielsweise grünlich, 24 Nanometer gelb und 48 Nanometer blau.

Auch Claudiadele Polinari vom Gymnasium Rämibühl hat im Rahmen ihrer Maturaarbeit Strukturfarben hergestellt. Sie wollte eine möglichst grosse Farbpalette abbilden und nicht nur wenige einzelne Farben. Mit ihrem Zwei-Schichten-Prinzip ist die Nachwuchsforscherin bei den Grüntönen aber an ihre Grenzen gestossen. Gelernt hat sie trotzdem – oder vielleicht gerade deswegen – sehr viel während ihres kurzen Forschungsaufenthalts an der ETH. Und die vielen erfolgreichen Farbproben hängen nun eingerahmt als Bild über dem Besprechungstisch an der Wand. Schön, wenn Forschungsergebnisse optisch so viel hergeben.