12. Februar 2015

Dossiers
Farbwechsel

Text: Mareike Gast

Das Chamäleon wie auch einige Tintenfische verändern bewusst ihre Farbe. Schmetterlinge oder Käfer schimmern in einer beeindruckenden Farbvielfalt. Auch die Farbänderung von Produkten ist seit langem Gegenstand der Entwicklung und Forschung. Vielfach steht das Ziel im Vordergrund, den Farbumschlag als einfach ablesbare und klar verständliche Anzeige für einen unsichtbaren äußeren Einfluss oder eine unsichtbare Substanz zu verwenden. Ausschlaggebend für die Farbänderung können unter anderem die Veränderung von Temperatur, Feuchtigkeit, Licht sowie mechanischer Druck, eine chemische Reaktion mit einer Substanz oder elektrischer Strom sein. Vor allem die gezielte Synthetisierung von Indikatorfarbstoffen mit spezifischen Eigenschaften und Farben beziehungsweise Farbänderungen eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten.



 

Strukturfarben wie im Schmetterlingsflügel

 

Polymere lassen sich im Vergleich zu metallischen Verbindungen bedeutend einfacher verarbeiten. Jedoch sind sie meistens farblos und erreichen ihre Farbigkeit erst durch den Zusatz von Pigmenten. Inspiriert von der Natur hat Andrew John Parnell von der University of Sheffield farbintensive Polymer-Materialien entwickelt, die auf Pigmente verzichten. Möglich machen dies photonische Blockcopolymere, die ihre Farbe aufgrund ihrer Struktur ähnlich wie thermochrome Flüssigkristalle erzeugen. Das einfallende Licht wird an verschiedenen Grenzflächen der Blockcopolymere reflektiert und interferiert. Da Blockcopolymere besondere Strukturen aufweisen wie sie auch in Pfauenfedern und Schmetterlingsflügeln vorkommen, schimmern sie metallisch und ihre Farbe ändert sich je nach Blickwinkel. Sehr regelmäßige treppenartige Geometrien erzeugen eine Interferenz benachbarter Lichtstrahlen, die an verschieden hohen Stufen reflektiert werden. Photonische Bauelemente auf Basis von Blockcopolymeren sind besonders attraktiv, da sie gezielt eine Vielzahl dieser Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften eigenständig durch Selbstorganisation ausbilden können. Außerdem sind die Materialien einfach zu verarbeiten. Der Versuch, die photonischen Blockcopolymere zu kommerzialisieren und als Fälschungsschutz einzusetzen, ist dennoch vorerst gescheitert, da die technisch herstellbaren Schichtdicken zu groß sind. In Zusammenarbeit mit dem Natural History Museum, London, untersucht Parnell nun weitere Strukturen und Farben, wie sie in Schmetterlingen, Käfern und Vogelfedern vorkommen, um dem natürlichen Vorbild und seinen feinen Schichtdicken noch näher zu kommen. 

 

 

Farbveränderung durch Dehnung

 

Den Effekt der Interferenz nutzen auch Pete Vukusic der Forschungsgruppe Biologische Fotonik an der University of Exeter und Mathias Kolle der Harvard University für die Entwicklung von textilen Fasern, die durch Dehnung ihre Farbe verändern. Als Vorbild dienen die Samen der Bastard-Schweinsbeere, die metallisch bläulich schimmern. Vukusic fand heraus, dass diese besondere Farbigkeit durch mehrere Schichten aus Zellen mit einer sehr regelmäßigen zylindrischen Struktur durch Interferenz entsteht. Im Weiteren gelang es Kolle diese Struktur auf ein textiles Fadenmaterial zu übertragen, indem er eine Seele (innenliegende Faser) mit einem doppellagigen Material umwickelt. Die untere Schicht besteht aus dem Polymer PDMS, die obere aus dem Polystyrol PS-PI. Mehrfach umwickelt erhält der Faden so die erforderlichen Brechungsindizes, als auch die gekrümmte Form und den zylindrischen Querschnitt. Durch Dehnung verändert sich die Schichtdicke und damit auch die Farbe, da andere Wellenlängen destruktiv beziehungsweise konstruktiv interferieren. Vorteil der Roll-up-Fertigungstechnologie ist die präzise Herstellung vieler Schichten aus einem doppellagigen Ausgangsmaterial. Jedoch ist die Fadenherstellung derzeit in der Länge stark begrenzt. Ziel ist es, Fadenlängen von mehreren Kilometern in einem Stück herstellen zu können. In der Extrusion, die endlose Fäden ermöglicht, ist es derzeit nicht möglich, derartig dünne und präzise Schichtdicken zu produzieren. Als Anwendungsmöglichkeit sieht Vukusic neben farbbasierten Dehnungssensoren auch Sportbekleidung, die die Muskelkontraktion sichtbar macht.

 

 

Algaemy - crafting our future food (Blond & Bieber) from Rasa Weber design and research on Vimeo.

 

 

Algenfarben

 

Nicht nur gezielt, sondern auch auf natürliche Weise verändern Pigmente ihre Farben. Oft ist dieser Effekt jedoch unerwünscht und wird mit Vergilben oder Verblassen assoziiert. Die Berliner Designerinnen Essi Johanna Glomb und Rasa Weber vom Designstudio Blond und Bieber machen sich diese Reaktion bewusst zu Nutze. Mit Unterstützung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart entwickeln sie die Möglichkeit, Textilien mit Mikroalgen zu färben, die durch Lichteinfluss ihre Farbe verändern. Sie werden nicht einfach heller, wie zu vermuten wäre, sondern verändern ihre Farbe beispielsweise von einem Grün zu einem arktischen Türkisblau. Eine andere ebenfalls zunächst grüne Sorte wird mit der Zeit pastellgelb. Eine rote Alge wechselt die Farbe je nach Bindemittel zu Rosa oder Gelb. Zu Beginn ging es dem Designerduo ausschließlich darum, die bisher wenig genutzte, aber in großen Mengen verfügbare Ressource der Mikroalge aufgrund des faszinierenden Farbspektrums zum Färben von Textilien zu nutzen. Wichtig war ihnen dabei vor allem, den Verarbeitungsprozess für den Benutzer und Betrachter einfach zugänglich und verständlich zu machen. Die Algen kamen ihnen dabei mit ihrer Bescheidenheit entgegen: In einem Glaskolben als Photo-Bioreaktor wachsen sie in normalem Wasser. Lediglich zwei bis drei Mal täglich müssen sie beatmet werden, um ausreichen Kohlendioxid zu bekommen. Sobald die Algenkonzentration hoch genug ist – das ist anhand der Färbung des Wassers zu sehen – werden die Algen auf dem speziell konstruierten Algenzucht-Textildruck-Apparat in Form eines Holzwagens gefiltert. Unzerkleinert mischen Blond und Bieber die Algen mit einem Bindemittel und drucken sie über die in den Wagen integrierte Druckwalze oder auch im Siebdruck auf Textilien. Die Designer erforschen derzeit verschiedene Bindemittel, sowohl biologische als auch chemische. Auf die chemischen reagieren die Algen allerdings nicht so gut. Besser eignet sich ein typischer Binder aus der Textilindustrie, der ebenfalls aus Algen hergestellt wird. Dass die Algen im Laufe der ersten Wochen nach Verarbeitung ihre Farbe verändern, fiel erst später auf, beeindruckte Blond und Bieber jedoch. Sie stellen sich vor, dass der Nutzer eine höhere Bindung zu einem Produkt aufbaut, das sich während der Benutzung verändert. Je nach Anwendung und entsprechender Lichteinwirkung ist die Geschwindigkeit der Farbänderung unterschiedlich: Die Farbe von Schuhen verändert sich langsamer als die von Gardinen. Neben der Optimierung des Herstellungsprozesses experimentieren Blond und Bieber auch mit der Farbänderung für gezielte Musterungen, indem sie Schichten übereinander drucken oder Drucke partiell vorbelichten oder gleichfarbige Algen verdrucken, die jedoch durch Belichtung in unterschiedliche Farben umschlagen.

 

 

Algaemy-Textiles from Rasa Weber design and research on Vimeo.

 

 

Mareike Gast ist Industriedesignerin mit einem eigenen Büro in Frankfurt am Main, spezialisiert auf neue Materialien und Technologien. In enger Zusammenarbeit mit der Industrie und Forschung entwickelt sie innovative Produkte und Produktstrategien. Neben ihrer Tätigkeit in der Produktentwicklung lehrt Mareike Gast regelmäßig an verschiedenen internationalen Hochschulen.

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