Von Vogelfedern bis hin zu Fruchtschalen gibt es in der Natur zwei Möglichkeiten, Farbe darzustellen: durch Pigmentstoffe, die für eine selektive Farbabsorption sorgen, oder durch strukturelle Farbe – die Verwendung von mikroskopischen Strukturen zur Steuerung der Lichtreflexion.
Wissenschaftler haben nun ein Computermodell entwickelt, das erklärt, warum die hellsten matten Strukturfarben in der Natur fast immer blau und grün sind: weil dies die Grenzen der Strukturfarbe im sichtbaren Lichtspektrum sind.
Die Forschungsergebnisse liefern nicht nur ein besseres Verständnis dafür, wie die hellsten Blau- und Grüntöne in der Natur entstehen, sondern könnten auch für die Entwicklung leuchtender, umweltfreundlicher Farben und Beschichtungen von Bedeutung sein, die nicht mit der Zeit verblassen oder giftige Chemikalien freisetzen.
„Neben ihrer Intensität und ihrer Resistenz gegen das Verblassen wäre eine matte Farbe, die strukturelle Farben verwendet, auch viel umweltfreundlicher, da keine giftigen Farbstoffe und Pigmente benötigt würden“, sagt der Physiker Gianni Jacucci von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich.
„Wir müssen jedoch zunächst verstehen, wo die Grenzen für die Nachbildung dieser Art von Farben liegen, bevor kommerzielle Anwendungen möglich sind.“
Bei strukturellen Farben ist es das nanoskalige Gerüst auf der Oberfläche, das die eigentliche Farbe diktiert.
Manchmal – wie zum Beispiel bei Pfauenfedern – kann diese Farbe irisierend sein und in verschiedenen Winkeln und bei unterschiedlichem Licht zwischen verschiedenen Farbtönen wechseln. Diese werden durch geordnete kristalline Strukturen erzeugt.
Mit anderen Strukturen erhält man eine matte Farbe, die sich nicht verändert und aus ungeordneten Strukturen entsteht; in der Natur wurde dies nur bei der Erzeugung blauer und grüner Farbtöne beobachtet. Das neue Computermodell, das auf künstlichen Materialien, den so genannten photonischen Gläsern, basiert, zeigt, dass Rot in der Tat außerhalb der Reichweite der Streutechniken liegt, die den matten Strukturfarben zugrunde liegen: Der langwellige Bereich des sichtbaren Spektrums kann mit den Techniken dieser mikroskopischen Oberflächenstrukturen nicht einfach reflektiert werden.
„Wegen des komplexen Zusammenspiels zwischen Einzel- und Mehrfachstreuung und Beiträgen aus korrelierter Streuung haben wir festgestellt, dass neben Rot auch Gelb und Orange kaum zu erreichen sind“, sagt die Chemikerin Silvia Vignolini von der Universität Cambridge.
Das muss der Grund sein, warum leuchtende, matte Rottöne in der Natur mit Pigmenten und nicht mit Strukturfarben erzeugt werden. Das Team vermutet, dass die Evolution in der Natur aufgrund der Grenzen der zugrundeliegenden Strukturen zu verschiedenen Arten der Herstellung roter Farben geführt hat.
Wenn wir mehr darüber wissen, wie diese matten Strukturfarben entstehen, kommen wir der Herstellung von Farben näher, die frei von Pigmenten und Farbstoffen sind – ein bedeutender Schritt in Richtung langlebiger, umweltfreundlicher Materialien für viele Anwendungen.
Davon sind wir aber noch weit entfernt, und es sieht so aus, als ob für Rot- und Orangetöne ein anderer Ansatz erforderlich ist – andere Arten von Nanostrukturen könnten diese Aufgabe übernehmen, nachdem sie genauer erforscht wurden, aber im Moment haben die Materialwissenschaftler die gleichen Probleme wie die Natur.
„Wenn wir versucht haben, künstlich eine matte Strukturfarbe für Rottöne oder Orangen zu erzeugen, hatten wir am Ende ein schlechtes Ergebnis, sowohl in Bezug auf die Sättigung als auch auf die Farbreinheit“, sagt der Chemiker Lukas Schertel von der Universität Cambridge.
Die Forschung wurde in PNAS veröffentlicht.