Bunte Strukturfarben mit Kühleffekt

Shenzhen (China) - Weiße Oberflächen heizen sich im Sonnenlicht weniger stark auf als schwarze. Auf der arabischen Halbinsel dominieren daher weiße Fahrzeuge das Straßenbild. Aber auch Hausdächer in Kalifornien oder Schienen in Italien werden bereits weiß angestrichen, um diesen kühlenden Effekt zu nutzen. Buntere und dennoch kühlende Oberflächen verspricht nun eine mehrschichtige Oberfläche, die chinesische Wissenschaftler konzipiert haben. Dafür nutzen sie keine Farbpigmente, sondern die Reflexionseigenschaften von nanostrukturierten Strukturfarben nach dem Vorbild von Schmetterlingen wie dem Blauen Morphofalter. Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift „Optica“ berichten, senkten diese Beschichtungen die Temperaturen von Oberflächen um rund zwei Grad unter die Umgebungstemperatur.

„Unsere kühlenden Beschichtungen können zum Energiesparen und damit zum Klimaschutz beitragen“, sagt Wanlin Wang von der Shenzhen Universität. Da einfallendes Sonnenlicht vollständig reflektiert wird, heizen sich auch farbige Autos oder Gebäude nicht mehr auf und der Strombedarf für Klimaanlagen sinkt. Grundlage der farbigen Oberflächen ist eine mehrschichtige Struktur aus Milchglas, Silber und filigran strukturierten Lagen aus Titan- und Siliziumdioxid. Vorab simulierten Wang und sein Team den exakten Aufbau dieser reflektierenden Strukturen, um jeweils den gewünschten Farbeindruck von blau, grün, gelb oder rot zu erzielen.

Mit diesem Aufbau gelang es den Forschenden, die Oberflächen in satten Farben unter einem weiten Blickwinkel von bis zu 60 Grad zu erzielen. Für eine blau schimmernde Fläche etwa reflektierten die oberen Schichten aus den Metalloxiden den blauen Anteil im Sonnenlicht über einen weiten Winkelbereich, die anderen Farbanteile dagegen über einen möglichst schmalen. Damit waren für das Auge nur die blauen Lichtwellen sichtbar. Zugleich verhinderte die untere Silberschicht jede Absorbtion von Sonnenlicht, so dass ein Aufheizen vermieden werden konnte. Versuchsreihen unter der prallen Mittagssonne belegten den kühlenden Effekt dieser Strukturfarben besonders deutlich. Eine blaue Fläche beispielsweise blieb rund 26 Grad kühler im Vergleich zu einer Oberfläche, die mit einer herkömmlichen blauen Pigmentfarbe gestrichen war.

Bisher fertigten die Entwickler für ihre Pilotversuche starre Oberflächen auf einem Träger aus Milchglas. Doch prinzipiell sind diese kühlenden Strukturfarben auch für flexible Kunststofffolien geeignet. Vor einer Anwendung müssten allerdings Verfahren entwickelt werden, um die filigran aufgebauten Strukturfarben schnell und großflächig auf eine Unterlage deponieren zu können. Zudem wollen die Forscher die Silberschicht durch eine Lage aus Aluminium ersetzen, um die Kosten der kühlenden Farbschichten deutlich zu reduzieren.