Vom Mottenauge abgeschaut
Simples Spritzgussverfahren entspiegelt Kunststoffscheiben
Vom Facettenauge der Motte haben sich Freiburger und Heilbronner Forscher abgeschaut, wie transparente Kunststoffe entspiegelt werden können: Winzige Nanostrukturen auf der Oberfläche des Mottenauges unterbinden verräterische Reflexionen und lassen die Falter von Feinden unentdeckt. Die Forscher um Frank Burmeister vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg haben nun eine spezielle Spritzgusstechnik entwickelt, um in einem einzigen Prozessschritt entspiegelte Kunststoffscheiben herzustellen. Mit der Methode lassen sich entspiegelte Handydisplays, Tachoscheiben bei Autos und Helmvisiere sehr billig produzieren, berichten die Forscher zum Abschluss des Forschungsvorhabens „Nanoskin”.
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Beim Mottenauge bilden winzige Ausstülpungen eine periodische Struktur auf der Oberfläche. Die Ausstülpungen sind dabei kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Die Farbe Blau hat beispielsweise eine Wellenlänge von 450 Nanometern (Millionstel Millimeter). Durch diese Nanostruktur entsteht ein kontinuierlicher Übergang vom Brechungsindex der Luft zum Brechungsindex der Hornhaut: Die Lichtspiegelung ist reduziert.
Die Forscher haben nun dieses Prinzip auf optische Materialien wie PMMA (Plexiglas) und Polycarbonat übertragen. Diese Materialien werden beispielsweise zu Displays spritzgegossen. Dass funktioniert ähnlich wie beim Waffelbacken: Während die Hausfrau ins Waffeleisen den Teig gießt, pressen die Forscher den verflüssigten Kunststoff in die Gussform. In beiden Fällen nimmt die Oberfläche die Negativstruktur der Gussform an.
Die Freiburger Materialforscher erzeugen nun auf der Gussform durch einen Abscheideprozess zahllose winzige Pyramiden aus hartem Titanaluminiumnitrid, Titanoxid oder Zirkonoxid. „Die Pyramiden sind rund 100 bis 250 Nanometer hoch und 200 bis 300 Nanometer voneinander entfernt”, berichtet Alexander Fromm vom Fraunhofer IWM. Beim Spritzgiessen prägen sich diese Strukturen in das Plastik. Die Oberfläche ist damit zwar entspiegelt, aber noch nicht kratzfest und beständig. „Schon das Abwischen mit einem Tuch zerstört die Oberflächenstruktur auf dem Werkstück”, sagt Fromm.
Der von Heilbronner Forschern entwickelte Trick besteht nun darin, während der Produktion die Gussform einen kleinen Tick anzulupfen. In den entstandenen Spalt lassen sie flüssiges Polyurethan (PU) einströmen. „Das Material ist härter, der Verschleiß reduziert”, kommentiert Sascha Kuhn vom Polymerinstitut Kunststofftechnik der Hochschule Heilbronn. Das harte und robuste Polyurethan nimmt nun die Mottenaugenstruktur an. Da das Verfahren in einem Prozessschritt an einer Maschine geschehe, sei es günstiger als ein nachträgliches Entspiegeln der Oberfläche.
„Es ergeben sich neue Designfreiheiten etwa für Autohersteller”, sagt Kuhn. Die Tachoscheibe im Armaturenbrett sei deshalb so schräg abgewinkelt, um Störungen durch Spiegelungen in jeder Situation auszuschließen. Die Autohersteller verzichten bislang aus Kostengründen auf die Entspiegelung. Mit der günstigen Fertigungsmethode könnte sich dies allerdings lohnen. Zum breiten Anwendungsbereich der Entspiegelung von Kunststoffgläsern zählen die Forscher Handydisplays, Navigationsgeräte, Kunststofflinsen und Optiken, PDAs und Multimeter.
Weitere Informationen:
Forschungsprojekt Nanoskin
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
Polymerinstitut Kunststofftechnik
Pressemitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft
Martin Schäfer (unterstützt durch das Kompetenznetz Optische Technologien in Baden-Württemberg, Photonics BW)
