Farbdruck ohne Farbstoffe

Einige Schmetter­linge brauchen keine Farb­pigmente, um ihre Flügel in bunten Farben schillern zu lassen. Filigrane, mit Rillen durchzogene Schuppen­strukturen absorbieren ein Groß­teils des Sonnen­lichts und reflek­tieren etwa nur blaues Licht. Dieses Phänomen nutzte nun eine dänische Forscher­gruppe, um bunte Bilder ganz ohne Farbstoffe allein über filigrane Nano­strukturen herzu­stellen. Diese Techno­logie könnte für fälschungs­sichere Farb­etiketten, neuartige Farb­displays oder auch zur optischen Daten­speicherung genutzt werden.

Xiaolong Zhu und seine Kollegen von der Tech­nischen Uni­versität Dänemarks in Kongens Lyngby entwickelten eine nach­träglich veränder­bare Fläche für solche Struktur­farben. Im Vergleich zu Farb­pigmenten hängen die dauer­haften Farbeffekte vom Material und der Geo­metrie fili­graner Schichten ab. Als Träger der bunten Bilder pressten die Wissen­schafler tausende bis zu 90 Nanometer breite Säulen in einen transpa­renten, flexiblen Kunst­stoff, der sich nach der Strukturierung unter UV-Licht aushärten ließ (Ormocomp). Der Abstand zwischen den symme­trisch angeordneten Nano­säulen auf dieser Meta­oberfläche betrug nur 200 Nanometer. Auf die Säulen deponierten sie mit einem Elektronen­strahl-Verdampfer eine 35 Nanometer dünne Schicht aus dem Halbleiter Germanium, das einen sehr hohen Brechnungs­index aufweist.

Abhängig von der Struktur der Nano­säulen und Dicke der Germanium­schicht veränderte sich das Absorbtions­verhalten für Licht. Über vielfache Total­reflexionen konnte ein Großteil des Licht­spektrums absorbiert werden, so dass nur noch Licht in einem schmalen Wellenlängen­bereich reflektiert wurde. Um nun in diesen Rohling zahl­reiche Bildpunkte verschiedener Farben quasi drucken zu können, nutzten die Forscher einen stark fokus­sierten Laser­strahl mit einer Energie von bis zu 1,8 Mikrojoule. Der Laserfokus ließ sich mit einem ausge­klügelten Raster­verfahren bis auf wenige Dutzende Nanometer ziel­genau verschieben.

Bei einer Belichtungs­dauer von etwa einer Nano­ekunde konnte das Nano­säulen-Areal partiell bis auf 1200 Kelvin aufgeheizt werden. Dabei schmolzen die anvi­sierten Nano­säulen und es formten sich kontrol­liert neue Strukturen. Abhängig von ihrer Form veränderte sich das Absorptions­spektrum über multiple Total­reflexionen. Nach dieser Strukturierung reflek­tierten die Nano­säulen wahlweise blaues, rotes oder gelbes Licht. Mit diesem Verfahren schufen Zhu und Kollegen zahlreiche farbige Bilder von einer Reproduktion der Mona Lisa über das Portrait des dänischen Physikers Niels Bohr bis zum Abbild des Colos­seums in Rom.

Bemerkens­wert ist die enorme Auflösung dieser Struktur­farbbilder von bis zu 127.000 Bildpunkten pro Zoll (dpi). Aller­dings waren die Kunst­werke ausge­sprochen klein mit Kanten­längen von 35 bis 50 Mikrometern. So ließ sich die Farben­pracht aus­schließlich unter dem Mikroskop bewundern. Einzig die Farbe grün konnten Zhu und Kollegen mit dieser Technik bisher nicht rea­lisieren. Doch die Forscher hoffen, auch diese Lücke mit anderen dielek­trischen Materialien stopfen zu können.

In Zukunft hält Zhu auch inten­sivere und kontrast­reichere Farben und deutlich größere Bild­formate für möglich. Anwendungen dieser pigment­freien Struktur­farben sieht er in niemals aus­bleichenden Außen­plakaten, Tapeten oder farbigen Schichten für Auto­karossen. Doch auch fälschungs­sichere Etiketten und neue Ansätze für eine optische Speicherung digi­taler Daten könnten mit den Struktur­farben nach dem Vorbild von Schmetterlings­flügeln oder auch den blau-grün schim­mernden Pfauen­federn entwickelt werden.

Jan Oliver Löfken

JOL