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Aug 03, 2023

UCF-Forscher schafft weltweit erste Energie

Debashis Chanda, Forscher an der University of Central Florida, Professor für UCFs

Der Forscher Debashis Chanda von der University of Central Florida, Professor am NanoScience Technology Center der UCF, hat sich von Schmetterlingen inspirieren lassen, um die erste umweltfreundliche, großflächige und mehrfarbige Alternative zu pigmentbasierten Farbstoffen zu entwickeln, die zu Energiesparbemühungen beitragen und helfen kann die globale Erwärmung reduzieren.

Die Entwicklung wurde heute in Science Advances als Sonderartikel veröffentlicht.

„Die Vielfalt an Farben und Farbtönen in der Natur ist erstaunlich – von bunten Blumen, Vögeln und Schmetterlingen bis hin zu Unterwasserlebewesen wie Fischen und Kopffüßern“, sagt Chanda. „Strukturelle Farben dienen als primärer Farberzeugungsmechanismus in mehreren äußerst lebendigen Arten, bei denen die geometrische Anordnung von typischerweise zwei farblosen Materialien alle Farben erzeugt. Andererseits werden bei künstlichen Pigmenten für jede vorhandene Farbe neue Moleküle benötigt.“

Basierend auf solchen Bio-Inspirationen entwickelte Chandas Forschungsgruppe eine plasmonische Farbe, die die nanoskalige Strukturanordnung farbloser Materialien – Aluminium und Aluminiumoxid – anstelle von Pigmenten nutzt, um Farben zu erzeugen.

Während Pigmentfarbstoffe die Lichtabsorption auf der Grundlage der elektronischen Eigenschaften des Pigmentmaterials steuern und daher jede Farbe ein neues Molekül benötigt, steuern Strukturfarbstoffe die Art und Weise, wie Licht reflektiert, gestreut oder absorbiert wird, ausschließlich auf der geometrischen Anordnung von Nanostrukturen.

Solche Strukturfarben sind umweltfreundlich, da sie im Gegensatz zu herkömmlichen pigmentbasierten Farben, die künstlich synthetisierte Moleküle verwenden, nur Metalle und Oxide verwenden.

Die Forscher haben ihre Strukturfarbflocken mit einem handelsüblichen Bindemittel kombiniert, um langlebige Farben in allen Farbtönen herzustellen.

„Normale Farben verblassen, weil Pigmente ihre Fähigkeit verlieren, Photonen zu absorbieren“, sagt Chanda. „Hier sind wir durch dieses Phänomen nicht eingeschränkt. Sobald wir etwas mit Strukturfarbe malen, sollte es Jahrhunderte lang bleiben.“

Da plasmonische Farbe das gesamte Infrarotspektrum reflektiert, wird außerdem weniger Wärme von der Farbe absorbiert, was dazu führt, dass die darunter liegende Oberfläche 25 bis 30 Grad Fahrenheit kühler bleibt, als wenn sie mit handelsüblicher Standardfarbe bedeckt wäre, sagt der Forscher.

„Über 10 % des gesamten Stroms in den USA fließen in den Verbrauch von Klimaanlagen“, sagt Chanda. „Der Temperaturunterschied, den plasmonische Farbe verspricht, würde zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Der geringere Stromverbrauch für die Kühlung würde auch den Kohlendioxidausstoß verringern und so die globale Erwärmung abmildern.“

Plasmonische Farbe sei zudem extrem leicht, sagt der Forscher.

Dies ist auf das große Flächen-zu-Dicken-Verhältnis der Farbe zurückzuführen, wobei die vollständige Färbung bereits bei einer Farbdicke von nur 150 Nanometern erreicht wird, was sie zur hellsten Farbe der Welt macht, sagt Chanda.

Der Lack sei so leicht, dass nur etwa 3 Pfund plasmonischer Lack eine Boeing 747 bedecken könnten, für die normalerweise mehr als 1.000 Pfund herkömmlicher Lack erforderlich seien, sagt er.

Chanda sagt, sein Interesse an Strukturfarben rühre von der Lebendigkeit der Schmetterlinge her.

„Als Kind wollte ich immer einen Schmetterling bauen“, sagt er. „Farbe weckt mein Interesse.“

Zukunftsforschung

Chanda sagt, dass die nächsten Schritte des Projekts die weitere Erforschung der energiesparenden Aspekte der Farbe umfassen, um ihre Eignung als kommerzielle Farbe zu verbessern.

„Herkömmliche Pigmentfarbe wird in großen Anlagen hergestellt, in denen Hunderte Gallonen Farbe hergestellt werden können“, sagt er. „Derzeit ist die Herstellung in einem akademischen Labor immer noch teuer, es sei denn, wir durchlaufen den Scale-up-Prozess.“

„Wir müssen etwas anderes wie Ungiftigkeit, Kühlwirkung und ultraleichtes Gewicht auf den Tisch bringen, was andere herkömmliche Farben nicht können.“ Chanda sagt.

Lizenzmöglichkeit

Weitere Informationen zur Lizenzierung dieser Technologie finden Sie im Technologieblatt „Inorganic Paint Pigment for Vivid Plasmonic Color“.

Referenzen des Forschers

Chanda hat gemeinsame Anstellungen im NanoScience Technology Center der UCF, im Department of Physics und am College of Optics and Photonics. Er promovierte in Photonik an der University of Toronto und arbeitete als Postdoktorand an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Er kam im Herbst 2012 zu UCF.

Studientitel: Ultraleichte plasmonische Strukturfarbfarbe