Pflanzliche Zellulosestrukturen – das Geheimnis leuchtender Farben
Interferenzpigmente kommen häufig zum Einsatz, um Autos eine edle Metallic-Optik und Lippenstiften einen verführerischen Glanz zu verleihen. Sie werden normalerweise durch Abscheidung von Schichten eines Metalloxids gewonnen und erzeugen Farbe durch Interferenz von Licht, das an der Oberfläche ihrer Nanostruktur gestreut wird. „Interferenzpigmente unterscheiden sich von über die Lichtabsorption funktionierenden Pigmenten, deshalb können sie metallisch erscheinen“, erklärt Silvia Vignolini, Projektkoordinatorin von PixCell und Professorin für Chemie und biologische Werkstoffe an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich. „Die Interferenz des Lichts ist auch für die Farben verantwortlich, die wir in einer Seifenblase schillern sehen, denn Wasser ist farblos, wenn wir es in einem Glas betrachten, aber sobald es sich um eine sehr dünne Schicht Wasser handelt, sind die Farben problemlos erkennbar.“
Und es werde Licht
Die Pigmentindustrie verlässt sich seit langer Zeit auf den Einsatz komplexer synthetischer Farbstoffe oder anorganischer Partikel, um Farben und visuelle Effekte wie Farbtöne, Leuchtkraft und Glanz zu erzeugen. Eine echte Herausforderung für die Industrie stellt jedoch die Tatsache dar, dass diese Pigmente oft aus anorganischen Materialien hergestellt werden, die zum Teil schwierig zu beschaffen sind. Für viele Pigmente werden großen Mengen an Titandioxid gebraucht, das in hohen Konzentrationen schädlich sein kann. „Eine Alternative für Unternehmen, die umweltfreundlicher werden wollen, ist die Gewinnung von Interferenzpigmentstrukturen aus Pflanzenzellulose“, erläutert Vignolini. „Tatsächlich produzieren viele Pflanzen ihre Farben aus natürlich vorkommenden Nanostrukturen.“ In bestimmten Früchten und Blättern werden beispielsweise werden Zellulosefasern im Nanomaßstab zu Strukturen zusammengefügt, die intensiv blaues Licht reflektieren. Diesen natürlichen Prozess des Zusammenfügens innerhalb der Pflanzenzelle nachzuahmen und diesen in Materialien einzubetten, könnte der Schlüssel zur Entwicklung eines ganzen Spektrums photonischer Pigmente auf Zellulosebasis sein. Im Rahmen des Projekts PixCell wurde versucht, dieses Konzept in zwei Richtungen weiterzuentwickeln. Erstens wurden mögliche nachhaltige und erneuerbare Quellen für Zellulose bestimmt, etwa Holz, das bei der Papierherstellung übrig bleibt. Zweitens wurde vorgeführt, dass die patentierte Projektmethode zur Steuerung des Zusammenfügens von Zellulosenanokristallen mit dem Zweck der Erzeugung photonischer Pigmente auf die Fertigungsstufe hochskalierbar ist. Dieser Ansatz hat für die Industrie deshalb wesentliche Vorteile, da das Verfahren ohne Weiteres an die bereits in der Industrie existierenden Emulsionstechnologien angepasst werden kann. „Im Rahmen von SeSaMe, einem früheren, vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekt, haben wir entdeckt, dass natürlich vorkommende Zellulosenanokristalle spezifische Farben ergeben“, fügt Vignolini hinzu. „Mit PixCell wollten wir auf dieser Entdeckung aufbauen und daraus ein Pigment erzeugen.“
Industriekontakte schmieden
Aufgrund der Übertragung in einen größeren Maßstab konnte das Projekt genügend Material herstellen, um es an potenzielle Industriepartner zu senden. Diese in den Bereichen Automobil- bis Kosmetikherstellung angesiedelten Unternehmen konnten das Material dann in ihren eigenen Rezepturen erproben. „Jeder Industriezweig, in dem Farben zum Einsatz kommen, könnte ein potenzieller Endverbraucher sein“, betont Vignolini. „Wir arbeiteten zum Beispiel mit Druckereien zusammen, die daran interessiert waren, Interferenzpigmente als Druckfarbe für Produkte wie beispielsweise modische Etiketten zu verwenden.“ Laut Vignolini war möglicherweise das Schmieden von starken Kontakten zur Zusammenarbeit und zum Erfahrungsaustausch mit der Industrie der größte Erfolg des Projekts. Sie erläutert: „Wir haben während des gesamten Projekts eng mit vielen Unternehmen zusammengearbeitet und konnten auf diese Weise Wissen über diese neue Technologie weitergeben und für sie sensibilisieren sowie relevante industrielle Prozesse kennenlernen.“ Das Projektteam denkt gegenwärtig über die Gründung eines Spin-off-Unternehmens nach, um den Schritt in Richtung Kommerzialisierung zu unterstützen. „Für ein Forschungslabor ist dieser Teil der Reise eine ziemliche Herausforderung“, merkt sie an. „Wir müssen eine Lieferkette aufbauen und außerdem realistisch in Hinsicht auf die Zeit sein, die es braucht, um diese Innovation auf den Markt zu bringen. Auf alle Fälle war unser Machbarkeitsnachweis ein wichtiger Meilenstein, um die Skalierbarkeit der Technologie vorzuführen.“
Schlüsselbegriffe
PixCell, Nanostruktur, Pigment, Farbe, Metalloxid, Metall, Kosmetik, Automobil, Fahrzeug
