Schillernde Farben mit farblosen Tropfen

University Park (USA) - Pfauenfedern und Schmetterlingsflügel schillern in allen Farben des Regenbogens. Kein eingelagerter Farbstoff, sondern die Brechung von weißem Licht an winzigen Strukturen sind für diese Vielfalt an Interferenzfarben verantwortlich. Einen ähnlichen Effekt beobachteten nun amerikanischen Wissenschaftler an farblosen Tropfen auf einer Oberfläche. Je nach Form der Tropfen und Einfallswinkel des Lichts wurden kräftige Farben von blau über grün und gelb bis rot sichtbar. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten die Wissenschaftler über die Ursachen für diese Farbgebung. Mögliche Anwendungen sehen sie in Sensoren, Farbdisplays oder gar in Schminktechniken ohne jeden Farbstoff.

Der Zufall stand wie so oft bei wissenschaftlichen Entdeckungen am Anfang. Lauren Zarzar und ihre Kollegen von der Pennsylvania State University untersuchten farblose und durchsichtige Tropfen aus Öl und Wasser auf einer Oberfläche. Unter weißem Licht entstand ein bläulicher Schimmer, den sie sich erst nicht erklären konnten. „Ich bin mir sicher, dass viele Menschen diesen Effekt auch schon beobachtet haben“, sagt Zarzar. Doch einfache Lichtbrechung an kugelförmigen Tropfen, die einem Regenbogen seine Farbenpracht verleiht, scheidet als Ursache aus. Denn im Unterschied zu sphärischen Wassertröpfchen in der Atmosphäre liegen die Labortropfen je nach Oberflächenspannung als mehr oder weniger flache Halbkugeln vor.

Den Grund für die Farbgebung entdeckten Zarzar und Kollegen bei der Analyse der Wege, die einfallendes Licht durch die Halbtropfen zurücklegte. Nachdem weißes Licht in einen Halbtropfen fiel, wurde es wie in einem Glasfaserkabel an der Grenzfläche zur Luft der Umgebung vollständig reflektiert. Je nach Einfallswinkel geschah diese Totalreflexion für jeden Lichtstrahl mehrere Male. Doch stimmten die Phasen von Lichtwellen mit bestimmter Farbe, also Wellenlänge, überein, kam es zu einer farbverstärkenden Überlagerung. Dank dieser konstruktiven Interferenz sah ein Beobachter unter einem festen Sichtwinkel genau eine bestimmte Farbe an der Grenzfläche der Halbtropfen.

Diesen Effekt der Totalreflexion untersuchten die Forscher danach systematisch. Sie wählten neben Wasser verschiedene transparente und farblose Flüssigkeiten wie Heptan oder Perfluorohexan. Jede Flüssigkeit wies einen anderen Brechungsindex auf, der wie erwartet Einfluss auf die Farbgebung hatte. Doch auch die Größe und Form der Tropfen beeinflussten die sichtbaren Farbeffekte deutlich. „Diese Farben können wir sehr einfach kreiieren, indem wir die Oberflächenspannung der mikroskaligen Tropfen ausnutzen“, sagt Zazar. Bisher waren für Strukturfarben nach dem Vorbild des Schmetterlingflügels deutlich kleinere, nanoskalige Strukturen nötig.

Nach den Experimenten mit flüssigen Halbtropfen erzeugten die Forscher den Farbeffekt auch mit transparenten und farblosen Kunststoffnoppen auf einer Oberfläche. Damit ließen sich solche Interferenzfarben auch dauerhafter auf einer Fläche erzeugen als mit Flüssigkeiten. Nachdem sie das grundlegende Prinzip der farbgebenden Totalreflexion verstanden haben, können sich Zazar und Kollegen konkrete Anwendung in Sensoren oder Farbbildschirmen vorstellen. Sogar Wandfarben wären mit mikroskaligen Halbtropfen möglich. Doch wandelt sich die Farbgebung dabei sowohl abhängig vom Einfallswinkel weißen Lichts als auch vom Sichtwinkel eines Betrachters.