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Vom Mottenauge abgeschaut - ultrafeine Strukturen für die Entspiegelung


Nicht gesehen werden, aber selbst um so besser sehen – wer möchte das nicht bisweilen? Zwar ist die Tarnkappe für den Menschen nur ein Wunschtraum aus dem Märchen- und Sagenreich, doch hat die Evolution das Prinzip in der Natur vielfach zumindest näherungsweise realisiert. So tragen bestimmte Insekten, namentlich nachtaktive Motten, auf der Oberfläche ihrer Augen feine Strukturierungen, welche die Reflexion von Licht sehr wirkungsvoll unterdrücken. Dies bringt den Tieren einen doppelten Vorteil: Es erhöht ihre eigene Sehfähigkeit, weil sie das schwache Restlicht praktisch vollständig verwerten können, und es macht sie zugleich, weil keine Spiegelung an den Augen auftreten, für ihre Jäger schwerer erkennbar.

Reflexion entsteht beim Übergang elektromagnetischer Wellen zwischen Medien unterschiedlicher optischer Dichte; je größer dieser Unterschied und je flacher der Eintrittswinkel, desto mehr Strahlung prallt an der Grenzfläche ab. Beim Übertritt zwischen Luft und Glas werden wegen der stark divergierenden Brechungsindices beider Medien selbst bei senkrechtem Einfall 4 Prozent des Lichtes reflektiert. Solche Reflexionen sind nicht nur störend, sondern durch die Blendwirkung unter Umständen sogar gefährlich; außerdem verhindern sie bei der Erzeugung von Solarenergie die volle Nutzung der Sonnenstrahlung.

Gängige industrielle Verfahren zur Entspiegelung von Glas nutzen das Interferenzprinzip. Dabei werden abwechselnd zwei oder mehr Schichten hoch- und niederbrechender Materialien aufgebracht, deren Dicke jeweils zwischen einem Zehntel und der Hälfte der Wellenlänge der durchzulassenden Strahlung liegt; unter dieser Bedingung löschen sich einfallende und reflektierte Wellen aus. Da sich bei Verdoppelung der Wellenlänge der Effekt jedoch in eine Totalreflexion umkehrt, ist die Bandbreite der Entspiegelung auf maximal eine Oktave begrenzt. Dies und der hohe Preis von Interferenzschicht-Systemen engen die Einsatzfelder stark ein.

Eine von uns durchgeführte Analyse des Bedarfs in der Industrie ergab, daß breitbandig entspiegelnde und dabei preiswerte Vergütungen für eine Vielzahl von Produkten dringend benötigt werden – in der Solar- und Displaytechnik ebenso wie in der Architekturverglasung. Ihre Verwirklichung war deshalb Ziel eines gemeinsamen Projektes von drei Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft.

Statt auf den Interferenz-Effekt setzten wir dabei jedoch auf das natürliche Vorbild des Mottenauges. Man kann die Reflexion nämlich auch dadurch vermindern, daß man den Übergang in der optischen Dichte zwischen Glas und Luft fließender gestaltet. Ein Weg dazu ist, Schichten aufzutragen, deren Brechungsindex von innen nach außen stufenweise abnimmt. Die praktische Realisierung dieses Gradientenschichtenverfahrens ist allerdings so schwierig, daß es bisher nicht technisch umgesetzt wurde: Es sind Materialien mit extrem niedriger Brechzahl zu entwickeln und zu applizieren, die hohe optische wie mechanische Anforderungen erfüllen müssen.

Im einfachsten Fall genügt freilich ein dünner Überzug aus einer einzigen Lage, deren Brechzahl kleiner ist als die von Glas (1,5). Idealerweise sollte sie nach theoretischen Analysen der Wurzel des Wertes für Glas entsprechen (1,22). In diesem Falle würde bei Vernachlässigung der Absorption die Transmission von sichtbarem Licht 99,6 und die von Sonnenstrahlung 98,0 Prozent betragen.

Unsere Idee war nun, für den Überzug kein neues, niedrigbrechendes Material zu entwickeln, sondern das Glas selbst beziehungsweise seine Hauptkomponente Siliciumdioxid (SiO2) zu verwenden und seine Brechzahl einfach durch Einbringen von Luftblasen zu verringern. Wenn die Poren kleiner als die Wellenlänge des Lichtes sind, wird die Struktur nicht mehr aufgelöst, und das Mischsystem Luft/Werkstoff wirkt homogen. In diesem Falle spricht man auch von einem effektiven Medium, dessen effektive Brechzahl durch die Volumenanteile von Material und Luft bestimmt wird.

Wir haben ein Sol-Gel-Verfahren entwickelt, mit dem sich in einem Beschichtungsschritt mit anschließendem Aufheizen entsprechend poröse Siliciumdioxid-Überzüge herstellen lassen. Grundlage ist eine Lösung aus Silicium-Alkoholat, einer Verbindung aus dem Metall und Alkohol. Das Alkoholat wird durch kontrollierte Zugabe einer Lauge so gespalten (hydrolysiert), daß sich extrem feinverteiltes (kolloidales) Siliciumdioxid ausscheidet. Zusammen mit dem Lösungsmittel bildet sich dabei ein sogenanntes Sol, in welches das Glas getaucht und anschließend auf 500 Grad Celsius erhitzt wird. Dabei wandelt sich der anhaftende Naßfilm in eine feste Siliciumdioxid-Schicht um. Organische Substanzen, die dem Sol zugesetzt waren, verbrennen und hinterlassen die gewünschten Poren.

Die Porosität läßt sich über die organischen Komponenten so steuern, daß der Brechungsindex bei 1,22 liegt, also genau im berechneten Optimum. In Bild 1 sind Glasteile dargestellt, die mit derartigen, etwa 110 Nanometer dicken Schichten teilentspiegelt wurden. Sie haben ei-ne visuelle Transmission von 99,5 und eine solare von 96,7 Prozent (Bild 3).

Die Motten verwenden allerdings eine noch raffiniertere Entspiegelung. Die Strukturierung ihrer Augenoberfläche in Form von feinen Noppen erzeugt nämlich nicht einen bloßen Überzug mit mittlerem Brechungsindex, sondern schafft einen gleitenden Übergang vom Brechungsindex des Auges zu dem der Luft, weil der Anteil der Luft am brechenden Medium nach außen gleichmäßig zunimmt. Die Noppen sind dabei wie die Poren des Siliciumdioxid-Gels kleiner als die Wellenlänge des Lichtes und werden dadurch ebenfalls nicht aufgelöst.

Diesen Mottenaugen-Effekt nutzten wir für die Konstruktion noch höherwertiger Entspiegelungen. Um ihn zu imitieren, muß man auf der Glasoberfläche periodische Strukturen mit Ausdehnungen unter 300 Nanometern (millionstel Millimetern) anbringen. Solche Nanostrukturen mindern die Reflexion nicht nur in einem breiten Wellenlängenbereich, sondern auch weitgehend unabhängig vom Einfallswinkel. Ihre Herstellung setzt allerdings eine anspruchsvolle Abformtechnik voraus.

Nun wurde am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg mit den Ormoceren (Marke der Fraunhofer-Gesellschaft) schon vor längerem ein Material entwickelt, das für den Zweck wie geschaffen ist. Diese anorganisch-organischen Hybridpolymere sind plastisch verformbar, so daß man ihnen mit Stempeln das gewünschte periodische Muster aufprägen kann, und sie lassen sich anschließend entweder durch Erhitzen oder durch Bestrahlen aushärten. Außerdem haften sie sehr gut an unterschiedlichen Substratmaterialien wie Glas, Kunststoff und Metall. Vor allem aber haben sie eine deutlich höhere Kratz- und Abriebfestigkeit als rein organische Polymere (Kunststoffe); dies ist für die Beständigkeit der filigranen Mottenaugen-Strukturen von großer Bedeutung.

Zwei Ormocer-Systeme, einen thermisch und einen durch Ultraviolettstrahlung härtbaren Typ, haben wir bisher erprobt. Mit beiden ließen sich über die Prägetechnik reproduzierbar fehlerfreie Nanostrukturen erzeugen, wobei Masterplatten mit unterschiedlichen Strukturperioden (216, 260 und 300 Nanometer) verwendet wurden. Eine mit dem UV-härtbaren System erzeugte Mottenaugen-Struktur ist in Bild 2 dargestellt. Mit der Prägemethode können zur Zeit Formate bis zur DIN-A3-Größe (Glas oder transparente Polymere) veredelt werden. Die gemessene Restreflexion beträgt im sichtbaren Spektrum 0,9, im solaren Bereich 2,2 Prozent (Bild 3).

Die Entwicklung hat inzwischen einen Stand erreicht, bei dem die Umsetzung in kommerzielle Verfahren und Produkte im Vordergrund steht. Es gibt dazu schon laufende Projekte mit Industriefirmen, und die ersten Produkte sollen 1998 in die Pilotfertigung gehen.

Freilich warten auch auf die anwendungsorientierte Grundlagenforschung noch wichtige Aufgaben. Das betrifft zum Beispiel die Entwicklung einer Technologie zur großflächigen Prägung mit Mottenaugen-Strukturen, die Umstellung des Beschichtungs-Sols für poröse Schichten auf wäßrige Basis und die Herstellung von filigranen Nanostrukturen aus rein anorganischem Material, die noch stabiler gegen Umwelteinflüsse sind als Ormocere.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1997, Seite 20
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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