Biomimetische Synthese ultraschwarzer Textilien: Ein interdisziplinärer Durchbruch
Die Problematik der Herstellung ultraschwarzer Materialien
Die Erzeugung von Materialien, die als „ultraschwarz“ klassifiziert werden und weniger als 0,5 Prozent des einfallenden Lichts reflektieren, stellte die Wissenschaft lange vor erhebliche Herausforderungen. Traditionelle Methoden zur Herstellung solcher Materialien waren nicht nur kostspielig, sondern erforderten auch den Einsatz toxischer Substanzen und resultierten in starren, schwer anwendbaren Materialien. Zudem war es bisher kaum möglich, Materialien zu entwickeln, die aus allen Blickwinkeln gleichmäßig dunkel erscheinen. Diese Limitationen schränkten die praktische Anwendbarkeit ultraschwarzer Materialien stark ein.
Biomimetik: Lernen von der Natur
Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung von Hansadi Jayamaha an der Cornell University hat diese Herausforderungen durch einen biomimetischen Ansatz adressiert. Inspiriert vom Gefieder des Prachtparadiesvogels (Ptiloris magnificus), dessen Federn nahezu kein Licht reflektieren, analysierten die Wissenschaftler die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Vogelfedern. Die Federn des Paradiesvogels weisen eine hohe Konzentration an Melaninpigmenten auf und besitzen eine spezifische mikroskopische Architektur: Feine, haarähnliche Strukturen, sogenannte Barbulen, die das Licht nach innen lenken und durch ihre Dichte fast vollständig absorbieren.
Innovative Synthese ultraschwarzer Wolltextilien
Die Forscher wählten Merinowolle als Ausgangsmaterial für ihre Experimente. Zunächst wurde das Gewebe in Polydopamin, ein synthetisches Analogon zu Melanin, getränkt, um eine tiefschwarze Grundfärbung zu erzielen. Anschließend erfolgte eine Plasmabehandlung, die zur Verätzung der Wollfaseroberfläche führte. Diese Behandlung generierte Nanofibrillen – winzige, stachelartige Strukturen, die die Barbulen der Vogelfedern imitieren. Diese Nanofibrillen bewirken eine effiziente Lichtabsorption, indem sie das Licht zwischen den Strukturen hin- und herreflektieren und so fast vollständig absorbieren.
Charakterisierung und Anwendungsmöglichkeiten des Materials
Spektroskopische Analysen des entwickelten Wollstoffs ergaben, dass dieser bei direkter Draufsicht lediglich 0,13 Prozent des einfallenden Lichts reflektiert. Damit handelt es sich um das dunkelste jemals hergestellte textile Material. Selbst bei seitlichen Betrachtungswinkeln bleibt die Lichtreflexion minimal. Neben seiner extremen Lichtabsorption zeichnet sich der Stoff durch Atmungsaktivität, Flexibilität und Waschbeständigkeit aus, was ihn besonders für die Modeindustrie attraktiv macht.
Die potenziellen Anwendungsbereiche des ultraschwarzen Stoffs sind vielfältig. In der Bekleidungsindustrie könnte er für hochmodische Designs genutzt werden. Darüber hinaus bietet er vielversprechende Einsatzmöglichkeiten in der militärischen Tarntechnologie, wo er zur Thermoregulation beitragen könnte, indem er Licht absorbiert und in thermische Energie umwandelt. Auch in der Optik und Elektronik, etwa in der Herstellung von Kameras, Solarpanels und Teleskopen, könnte das Material zur Minimierung unerwünschter Reflexionen eingesetzt werden. Die Forscher haben ihre Methode bereits zum Patent angemeldet und planen die Gründung eines Unternehmens zur Massenproduktion ultraschwarzer Textilien.
