Dr. Alexander Kühne: AktiPhotoPol

Farbe hat eine große Bedeutung in der Natur. Sie kann zum Beispiel als Signal vor Gefahren warnen oder als Lockmittel bei der Partnerwahl genutzt werden. Der Natur stehen insgesamt drei Möglichkeiten zur Verfügung, um Farbe zu erzeugen: Absorption, Reflexion und Lumineszenz. Unter Absorption versteht man das „Verschlingen“ von Licht. Reflektion wirft das Licht zurück, wie an einem Katzenauge beim Fahrrad und Lumineszenz ist eine Leuchterscheinung. Die im Projekt AktiPhotoPol entwickelten Materialien beruhen auf einer Kombination dieser Effekte um neuartige Beleuchtungsansätze und druckbare Sicherheitsmerkmale mit erhöhter Sicherheit zu generieren.

Bei der Erzeugung von Farbe durch Absorption wird ein Teil des sichtbaren Lichtes absorbiert und die Komplementärfarbe zurückgeworfen. Ein zweiter Weg, um natürliche Farbe hervorzurufen, basiert auf Lumineszenz. Im Gegensatz zu der Absorption wird hier Licht ausgesendet und erzeugt Farbigkeit. Diesen Effekt können wir am besten nachts beobachten, wenn Glühkäfer oder Algen in einer chemischen Reaktion meist grünes Licht erzeugen. Die dritte Form der Farberzeugung besteht in der so genannten „Physikalischen Farbe“. Anders als bei  Absorption und Emission beruht die Farbigkeit hier nicht auf der speziellen chemischen Struktur von Molekülen, sondern lediglich auf der regelmäßigen Strukturierung eines Materials. Einfallendes Licht wird an der regelmäßigen Struktur wiederholt gebrochen, was zu speziellen Störungen und schlussendlich zur Reflexion führt. Diesen Effekt nutzen im Tierreich vor allem Insekten und Käfer, um Farbe zu erzeugen. Auch in der Pflanzenwelt wurden solche Strukturen in schillernden Beeren gefunden. Weiterhin findet man diese geordneten Strukturen in Gesteinen, die man als Opale kennt. Ihr reflektierendes „Farbenspiel“ basiert ausschließlich auf der Wechselwirkung von Licht mit dem hochgeordneten Material.

AktiPhotoPol beschäftigt sich mit der Herstellung von besonderen, künstlichen Opalen. In einer chemischen Reaktion werden farbige Kunststoff-Partikel so hergestellt, dass sie zusätzlich Licht abstrahlen können – also fluoreszieren können.

Die kugelrunden Kunststoff-Partikel sind 1000-mal kleiner als der Durchmesser eines Haares. Die winzigen Kugeln sind alle gleich groß und können gelöst in einer Flüssigkeit durch Tintenstrahldruck verarbeitet werden. Während der Verarbeitung ordnen sich die Kugeln zu geordneten Strukturen an, wie Atome in einem Kristall oder Orangen in einer Holzkiste. Durch diese geordnete dichte Kugelpackung können die Partikelstrukturen mit Licht wechselwirken. Da sich die Strukturen von selbst während der Verarbeitung anordnen kann auf teure und zeitintensive Herstellungsmethoden verzichtet werden. So lassen sich Licht-leitende Fasern aus Kunststoff und gedruckte Sicherheitsmerkmale kostengünstig herstellen.

Das Licht gezielt einzusetzen ist eine clevere Idee. Komponenten für die optische Telekommunikation sowie Sicherheitsmerkmale wie zum Beispiel Hologramme, funktionieren durch präzise Wechselwirkung von kleinsten periodischen Strukturen mit Licht, was zur Reflektion von Licht in bestimmten Farben führt. Die Strukturen, die zu solchen Wechselwirkungen mit Licht führen werden heutzutage in aufwändigen Nanostrukturierungsverfahren erzeugt, die zeitintensiv und teuer sind. Die dafür benutzten Materialien sind selbst passiv und treten in keine weitere Interaktion mit dem Licht.

In AktiPhotoPol werden nun neue Materialien erforscht, die Lichtleiterkabel der nächsten Generation z.B. für die Telekommunikation ermöglichen. Auf Medikamentenverpackungen und Scheckkarten können die neuen Materialien, nicht nur wie ein Hologramm wirken sondern auch noch über andere Merkmale wie Fluoreszenz und Farbe ausgelesen werden können. Dies erlaubt eine höhere Sicherheit als die bisherigen Methoden.

Nachwuchsgruppenleiter

Alexander Kühne studierte Chemie an der Universität zu Köln und der University of Strathclyde in Glasgow UK, wo er auch seine Doktorarbeit bei Prof. Richard Pethrick anfertigte. Als Postdoc arbeitete er in der Gruppe von Klaus Meerholz in Köln und bei Dave Weitz an der Harvard University, USA. Seit 2012 ist er Nachwuchsgruppenleiter am DWI – Leibniz Institut für Interaktive Materialien in Aachen. Seine Forschung beschäftigt sich mit kolloidaler und makromolekularer Chemie, im Speziellen im Bereich Partikel-basierter Photonik, biomedizinischer Bildgebungssysteme und therapeutischer Materialien. Seit Januar 2015 leitet er die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „AktiPhotoPol“.