Bunte Cellulose: Das 3D-gedruckte Empa-Logo aus dem neuartigen HPC-Gemisch wechselt die Farbe, wenn es sich erwärmt. (Bild: Empa)
Ein Material, mit dem genau das möglich ist, haben Forschende aus dem Labor der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) “Cellulose & Wood Materials“ auf Basis von Cellulose entwickelt. Das Gemisch aus Hydroxpropyl-Cellulose, Wasser, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Cellulose-Nanofasern verändert je nach Temperatur und Dehnung seine Farbe – und dies ganz ohne Zusatz von Pigmenten.
Als Ausgangsstoff diente den Forschenden Hydroxypropyl-Cellulose (HPC), ein Hilfsstoff, der in Pharmazeutika, Kosmetikartikeln und Lebensmitteln eingesetzt wird. Nach Zugabe von Wasser bildet HPC Flüssigkristalle. Diese Flüssigkristalle sind farblos, aber sie können je nach Kristallstruktur in den unterschiedlichsten Farben schillern. Dieses Phänomen nennt sich strukturelle Färbung. Strukturelle Färbung ist ein in der Natur weit verbreitetes Phänomen. So erhalten beispielsweise Pfauenfedern, Schmetterlingsflügel und die Haut des Chamäleons ihre bunte Färbung durch mikroskopische Strukturen, die das einfallende Tageslicht in seine Spektralfarben aufspalten und nur bestimmte Wellenlängen reflektieren.
Der Chamäleon-Effekt: Schillernde 3D-Tinte aus Cellulose
Die Forscher haben nun gezeigt, dass auch HPC-Flüssigkristalle strukturell gefärbt sind. Sie konnten die Farbe der HPC-Flüssigkristalle durch die Steuerung der Kristallstruktur beeinflussen. Diese Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuer Materialien mit interessanten optischen Eigenschaften führen.
Die strukturelle Farbe von HPC verändert sich indes nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Temperatur. Um diese Eigenschaft besser ausnutzen zu können, setzten die Forschenden um Gustav Nyström der Mischung aus HPC und Wasser noch 0.1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu. Dies macht die Flüssigkeit elektrisch leitfähig und ermöglicht es den Forschenden, die Temperatur – und somit die Farbe der Flüssigkristalle – durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern. Bonus: Der Kohlenstoff fungiert als Breitbandabsorber, der die Farben intensiver macht. Mit einem weiteren Zusatz, eine kleine Menge an Cellulose-Nanofasern, gelang es Nyströms Team außerdem, die Mischung 3D-druckbar zu machen, ohne Färbung und Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
Nachhaltige Sensoren und Displays
Mittels 3D-Druck stellten die Forscher unterschiedliche Anwendungsbeispiele aus der neuartigen Cellulosemischung her. Darunter etwa einen Dehnungssensor, der seine Farbe je nach mechanischer Verformung verändert, sowie ein einfaches Display aus sieben elektrisch gesteuerten Segmenten. Die neuen Cellulose-Produkte sind biologisch abbaubar und recycelbar. In Zukunft könnte die Cellulose-basierte Tinte zahlreiche ganz unterschiedliche Anwendungen finden, etwa für Temperatur- und Verformungssensoren, zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose. Laut den Empa-Forschenden gibt noch viele offene Fragen, wie strukturelle Färbung überhaupt entsteht und wie sie sich durch unterschiedliche Zusatzstoffe oder durch Umwelteinflüsse verändern lässt.Dem will Nyström mit seinem Team weiter nachgehen in der Hoffnung, noch weitere interessante Phänomene und Anwendungsmöglichkeiten zu entdecken.
