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Bioinspiriert: Ultraweiße Beschichtung entwickelt

Cyphochilus-Käfer verdanken ihre weiße Farbe einer raffinierten Oberflächenstruktur. (Foto: Olimpia Onelli)

Ein ungewöhnlich heller Käfer stand Pate: Forscher haben eine superdünne und sogar essbare Beschichtung entwickelt, die Produkten der Lebensmittel-, Kosmetik- oder Pharmaindustrie ein strahlendes Weiß verschaffen könnte. Das Material ist 20 Mal weißer als Papier und besteht aus dem Naturstoff Zellulose. Der Farbeffekt entsteht, indem es die Struktur ultradünner Schuppen imitiert, die den Panzer der Cyphochilus-Käfer schneeweiß erscheinen lassen.

Helle Farben werden normalerweise durch Pigmente erzeugt, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren und andere reflektieren – diesen Effekt nehmen wir dann als Farbeindruck wahr. Weiß ist in diesem Zusammenhang etwas Besonderes: Um diese Farbe zu erzeugen, müssen alle Wellenlängen des Lichts mit derselben Effizienz reflektiert werden. In Produkten wie Farben, Sonnencremes und Kosmetika sorgen bisher hochbrechende Partikel für diesen Effekt – üblicherweise Titandioxid oder Zinkoxid. Diese Stoffe gelten jedoch als nicht vollständig biokompatibel und ihre mögliche Schadwirkung als Nanopartikel ist umstritten. Es besteht deshalb Bedarf an alternativen Konzepten der Weißfärbung.

Vorbild Käfer

Wie so häufig kann sich der Menschen auch in diesem Fall Rat bei der Natur holen: Untersuchungen haben gezeigt, dass das strahlenden Weiß der südostasiatischen Cyphochilus-Käfer nicht auf Pigmenten beruht, sondern auf einer raffinierten Oberfläche. Bei dem Biopatent sorgen feine Strukturen aus dem Material Chitin für eine extreme Streuung des Lichts. Sie bilden auf dem Panzer der Käfer einen sehr dünnen und leichten Überzug, mit dem sich die Krabbler in ihrer Heimat tarnen können: Sie leben auf weißen Pilzen.

Den Forschern um Olimpia Onelli von der University of Cambridge ist es nun gelungen, das Biopatent der Cyphochilus-Käfer nachzubilden, um es für den Menschen nutzbar zu machen. Im Gegensatz zum natürlichen Vorbild setzten sie dazu allerdings nicht das Insekten-typische Chitin ein – sie ahmten die Oberflächen-Strukturen stattdessen durch einen anderen weitverbreiteten Baustoff der Natur nach: Zellulose. Dieses Material ist reichlich verfügbar, natürlich abbaubar und biokompatibel. Es lässt sich deshalb bedenkenlos in vielen Produkten einsetzen, die in direkten Kontakt mit Körpergeweben kommen, wie etwa Nahrungsmittel oder Kosmetika.

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Zellulosestrukturen erstrahlen in weiß

Durch die Kombination von winzigen Zellulose-Fasern unterschiedlicher Größe – von sogenannten Nanofibrillen – gelang es den Forschern, den Ultra-Weiß-Effekt zu erzielen. Besonders dünne Fasern bilden dabei eine transparente Schicht, während mittlere und dicke Fasern einen weniger durchsichtigen Anteil bilden. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die Strukturen der Nanofibrillen so einstellen, dass sie Licht optimal reflektieren. „Um das Weiß zu erzeugen, muss die Struktur so zufällig wie möglich sein“, kommentiert Onelli. Offenbar wird dies bei der Beschichtung deutlich: „Das auf Zellulose basierende Material hat eine Struktur, die fast wie Spaghetti aussieht“, sagt Co-Autorin Silvia Vignolini von der University of Cambridge.

Die Wirkung ist ausgesprochen effektiv: Die Beschichtung streut Licht 20- bis 30-mal effizienter als Papier, berichten die Forscher. Wie sie betonen, konnten sie außerdem ein weiteres wichtiges Merkmal des natürlichen Vorbildes kopieren: Wie die Käferschuppen sind die Zellulosemembranen extrem dünn: nur wenige Millionstel Meter.

Die Wissenschaftler arbeiten nun an der Optimierung der Beschichtungssubstanz und ihrer Herstellung, damit sie für den praktischen Einsatz tauglich wird. Eines Tages könnte demnach das „helle“ Konzept der Cyphochilus-Käfer Produkten der Lebensmittel-, Kosmetik- oder Pharmaindustrie ein unproblematisches Strahlen verschaffen, hoffen Onelli und ihre Kollegen.

Quellen: University of Cambridge, Originalveröffentlichung: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201704050

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Wissenschaftslexikon

Wald|nym|phe  〈f. 19; grch. Myth.〉 im Wald lebende Nymphe

Läh|me  〈f. 19; unz.; bes. Vet.〉 Lähmung (Fohlen~)

Agar–Agar  〈m. 6 od. n. 15; unz.〉 sülzartiger Stoff aus Rotalgenarten für Nährböden von Bakterienkulturen, als Gelatine u. a. [mal.]

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