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Foto: KIT
Auf der Hannover Messe 2021 geht es beim KIT unter anderem um bionische Oberflächen. So wird gezeigt, wie ein nanostrukturierter Polymerfilm nach dem Vorbild des Käfers Cyphochilus insulanus  eine strahlend weiße, Titanoxid-freie Beschichtung erzeugt. 

Oberflächentechnik

Bionische Oberfläche: strahlendes Weiß ohne Titanoxid

Eine am KIT entwickelte Polymerfolie erreicht auch ohne umweltbelastendes Titandioxid ein strahlendes Weiß. Vorbild der bionischen Oberfläche ist ein Käfer. 

Von der Natur inspirierte Nano- und Mikrostrukturen sind die Basis bionischer Oberflächen, wie sie auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) auf der diesjährigen Hannover Messe anhand einer strahlend weißen und dabei Titanoxid-freien Beschichtung präsentieren wird. Die hier verwendeten Polymerfolien, die extrem dünn sind und eine hohe Lichtstreuung aufweisen, sind das Ergebnis eines neuen Verfahrens aus dem KIT. Das kostengünstige Material lässt sich industriell auf unterschiedlichsten Gegenständen aufbringen, um ihnen eine attraktive weiße Optik zu verleihen. Zudem kann das Verfahren Produkte umweltfreundlicher machen.

Titandioxid ist das Standardpigment für strahlend weiße Produkte

Eine strahlend weiße Oberfläche lässt Möbel und andere Gegenstände sauber, hell und modern wirken. Bislang ist Titandioxid das Standardpigment, um Lacke, Farben und Kunststoffe, aber auch Kosmetika, Lebensmittel, Kaugummi oder Tabletten weiß zu färben. Das Pigment steht jedoch in der Kritik. „Titandioxid hat einen sehr hohen Brechungsindex, es reflektiert einfallendes Licht fast vollständig, hat jedoch den Nachteil, dass sich seine Partikel nicht abbauen und dadurch auf Dauer die Umwelt belasten“, sagt Professor Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT. Zudem gibt es Bedenken, dass Titandioxid möglicherweise gesundheitsschädlich sein könnte.

„Wir umgehen die Verwendung von umwelt- und gesundheitsschädlichen Pigmenten, indem wir poröse Polymerstrukturen mit vergleichbar hoher Streuung erzeugen“, so Hölscher. Inspiriert wurden er und sein Team von dem weißen Käfer Cyphochilus insulanus, dessen Schuppen dank einer speziellen Nanostruktur seines Chitinpanzers weiß erscheinen. „Nach diesem Vorbild stellen wir aus Polymeren feste, poröse Nanostrukturen her, die einem Schwamm ähneln“, sagt Hölscher, der am IMT die Forschungsgruppe Biomimetische Oberflächen leitet. Wie die Bläschen von Rasier- oder Badeschaum sorgt auch hier die Struktur für eine Streuung des Lichts, die das Material weiß wirken lässt. Die neue Technik für eine kostengünstige und unbedenkliche weiße Optik eignet sich für verschiedenste Oberflächen.

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Bionische Oberflächen nach dem Vorbild der Natur

„Die mit unserem Verfahren gefertigten Polymerfolien sind extrem dünn, flexibel und leicht, aber dennoch mechanisch stabil und lassen sich industriell auf unterschiedliche Produkte aufbringen“, erläutert der Physiker. Bei einer Stärke von 9 μm reflektiert die neu entwickelte Polymerfolie mehr als 57 % des einfallenden Lichts. 80 bis 90 % sind bei einer dickeren Folie erreichbar. Für die Entwicklung wurde die schwammförmige Mikrostruktur auf Acrylglas aufgebracht. Das Verfahren lässt sich jedoch auf viele andere Polymere übertragen. Während Ingenieurinnen und Ingenieure häufig Lösungen mit Materialien aus vielen verschiedenen chemischen Elementen entwickelten, beschränke sich die Natur meist auf ein einziges Grundmaterial, das dank einer komplexen dreidimensionalen Struktur interessante mechanische, optische oder physikalisch-chemische Eigenschaften aufweise. Die Bionik, die sich damit beschäftigt, die Phänomene der Natur zu verstehen und zu imitieren, um sie technisch nutzbar zu machen, führe häufig zu völlig neuen Lösungen – die auf anderem Weg vielleicht nie gefunden worden wären“, so Hölscher.

Lassen sich so auch ganze Gegenstände weiß einfärben?

„Neben Folien lassen sich auch ganze Gegenstände entsprechend weiß färben, wir planen als nächsten Schritt Partikel, zum Beispiel kleine Kügelchen, herzustellen, um sie in andere Materialien einbringen zu können“, so der Forscher. „Es gibt bereits Anfragen von Firmen, die bestrebt sind, ihre Produkte umweltfreundlicher zu machen.“

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