Der Forschungsgruppe um Prof. Frank Scheffold am Departement für Physik der Universität Freiburg ist es gelungen, mit der Verwendung eines extrem hochauflösenden 3D-Druckers, eine neue Klasse von nichtkristallinen (amorphen) Materialien herzustellen. Diese Materialien sind fähig die Lichtausbreitung gezielt zu beeinflussen, was für Anwendungen in der Optik und Photonik von grosser Bedeutung werden könnte.

Abschwächung eines farbigen Lichtstrahls in einem amorphen photonischen Netzwerkmaterial.

Dank der Verwendung eines extrem hochauflösenden 3D-Druckers am Physikdepartement konnte das Freiburger Forschungsteam um Prof. Frank Scheffold spezielle ungeordnete Netzwerke aus mikroskopisch dünnen Kunststoff-Zylindern herstellen. Bei dieser neuen Klasse nichtkristalliner (amorpher) Materialien bilden die einzelnen Zylinder keine geordnete Struktur, sondern ein unregelmässiges Muster. Die Kunststoff-Vorlagen wurden anschliessend mit Silizium beschichtet und optisch vermessen. Die Forschenden vermochten über einen definierten Spektralbereich (im Infrarot-Spektrum von Licht) eine deutlich erhöhte, diffuse Reflexion beobachten, während die Transparenz parallel dazu stark abnimmt. Numerische Berechnungen legen nahe, dass solche Materialen die Lichtdurchlässigkeit sogar vollständig unterdrücken können, was für Anwendungen in der Optik und Photonik von grosser Bedeutung werden könnten.

Struktur verleiht Farbe

Viele Gegenstände erscheinen farbig, weil sie ein Teilspektrum des Sonnenlichts absorbieren. Dabei nehmen die Farbpigmente Lichtstrahlen auf und verwandeln sie in Wärme. Schwarz und Weiss sind keine eigentlichen Farben: Schwarze Objekte absorbieren Licht über den gesamten sichtbaren Spektralbereich und werden deshalb in der Sonne warm. Weisse Objekte hingegen reflektieren alles Licht diffus. Mikro- und Nanostrukturierung können diese Art der Reflexion aber auch auf einen bestimmten Bereich des Lichtspektrums einschränken. In diesem Fall wird nur Licht einer bestimmten Farbe reflektiert und das Objekt erscheint dadurch farbig. Da keine Farbpigmente notwendig sind, verbleichen solche strukturellen Farben nicht.

In der Natur ist dieses Prinzip weit verbreitet: Schmetterlingsflügel, farbige Käfer und bunte Vogelfedern sind so aufgebaut. Die schimmernden Farben von Edelsteinen wie den Opalen entstehen ebenfalls durch Nanostrukturierung. Die regelmässige, kristalline Anordnung mikroskopisch kleiner Glaskügelchen ist dafür verantwortlich. Solche optischen Effekte sind für zahlreiche Anwendungen von Interesse wie etwa für Verpackungen, Autolacke, Kosmetika, Displays sowie im Bereich der optischen Datenverarbeitung und -übertragung. In diesen Fällen ist aber das Schimmern und Glitzern sowie die starke Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel eher unerwünscht. Aus diesen Gründen versuchen Forscher seit einiger Zeit vermehrt nichtkristallin strukturierte Materialien zu entwickeln.

Die Forschungsarbeit wurde in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Optical Materials publiziert:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201300415/abstract

Kontakt: Prof. Frank Scheffold, Departement für Physik, frank.scheffold@unifr.ch, 026 300 9117, http://physics.unifr.ch/en/page/54/