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Nanokristallographie

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Was ist Nanokristallographie? Die Farbe eines Schmetterlings entsteht nicht durch irgendein Pigment, sondern durch die Wechselwirkung des sichtbaren Lichts mit den Mikrostrukturen der Schuppen seiner Flügel. Diese Mikrostrukturen, die das Leben seit Millionen von Jahren geschaffen hat, sind das, was wir heute als photonische Kristalle kennen. Viele andere Lebewesen färben ihre Körper, so sind ähnliche Strukturen in der Lage, sichtbares Licht zu streuen und schillernde Farben zu emittieren. Dies sind die sogenannten Strukturfarben.

Nanokristallographie

Nanokristallographie: Strukturelle Farben


Die Farbe von Schmetterlingsflügeln, besonders die blau-grünen Farben von kurzer Wellenlänge und hoher Energie, und das Schillern, sind keine Farben von Pigmenten, sondern von der Dispersion des Lichts durch die mikroskopische periodische Struktur von Chitin.
Die Farbe der Federn vieler Vögel ist auf den gleichen Effekt der kristallinen periodischen Strukturen des Keratins zurückzuführen. Beugung tritt auf, wenn eine Welle auf ein Hindernis trifft, das ihrer Wellenlänge entspricht, oder wenn sie von einem Medium in ein anderes übergeht.

Wenn es sich bei der Welle um sichtbares Licht handelt, erzeugen die mit der Beugung verbundenen Phänomene Farben, denn Farben sind die verschiedenen Wellenlängen des Lichts. Wenn das Hindernis periodisch und regelmäßig ist, wie bei Kristallen, werden mehrere Farben erzeugt, da die Wellenlänge jeder Farbe durch den Abstand und die Größe der Hindernisstruktur unterschiedlich beeinflusst wird.

Nanokristallographie: Mikrostruktur

Die Mikrostruktur einiger Teile in Lebewesen (wie Vogelfedern oder Schmetterlingsflügel) bildet ein natürliches Beugungsgitter, das durch die regelmäßigen Abstände zwischen den Materialien, aus denen es besteht, entsteht (Keratin und Melanin in Federn, Chitin in Schmetterlingsflügeln). Dies geschieht auch in anderen Materialien wie Opal, wo Siliziummoleküle regelmäßig in mehreren Schichten in Wasser eingetaucht sind. Schillern tritt auf, wenn dies gleichzeitig mit mehr als einer Farbe geschieht.

Bei Federn ist es die Wechselwirkung zwischen der Struktur des Keratins und der Form, in der die Melanosomen verteilt sind, die den Farbbereich konfiguriert – also die Reflexion plus die Transmission in den verschiedenen Schichten zusammen mit der Interferenz. Die Dicke der verschiedenen Schichten wählt die Primärfarbe aus. Die blauen Grüntöne werden hauptsächlich in den Oberflächenschichten erzeugt, während bei der Reflexion in größeren Tiefen (wenn die kürzeren Wellenlängen bereits absorbiert wurden) der orange-rote Bereich des Spektrums entsteht.

Viele der Farben von Schmetterlingsflügeln und Vogelfedern sind nicht auf Pigmente zurückzuführen, sondern auf die Streuung des Lichts durch die periodische Struktur des Chitins. Dies sind die photonischen Kristalle, die heute durch fortschrittliche Techniken für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie gewonnen werden.

Nanokristallographie

Auch die Farben des Opals sind auf dasselbe Phänomen zurückzuführen. Es handelt sich um Strukturfarben, die durch das Licht verursacht werden, das durch die Struktur der kugelförmigen Nanopartikel aus Siliziumdioxid gestreut wird.

Nanokristallographie: Kosmetika

Nanokristallographie

Heutzutage hängt die Qualität von Kosmetika von der Form und Größe der Kristalle ab, die die Basis bilden. Isometrische Formen sind weniger erwünscht, weil sie mit dem Schweiß zwischen den Hautfalten fließen – sie „laufen“ – im Vergleich zu länglichen kristallinen Formen in Form von Prismen oder Nadeln. Die Kontrolle der Morphologie der Basis eines Kosmetikums ist daher entscheidend. Aber es ist auch wichtig, ihre Größe zu kontrollieren, denn die Größe der nanometrischen Kristalle von Kosmetika steuert ihre Farbe.

Nanokristallographie: Mineralische Pigmente

Ein Beispiel für die Stabilitätsprobleme von Mineralfarben ist die historische Entwicklung der Farben von Raffaels Gemälde „Madonna mit Kind und Heiligenkrone“. Das ursprüngliche Azuritblau des Umhangs der Madonna hat sich im Laufe der Zeit durch den Abbau zu grünem Malachit verdunkelt und der Umhang wirkt nun grünlich. Abbauprozesse: Die Intensität der Farbe Blau ist auf das Vorhandensein von Kupfer und die Form, in der es chemisch mit Hydroxyl- (OH) und Carbonatgruppen (CO3) gebunden ist, zurückzuführen. Azurit hat eine gute Stabilität in Öl- und Tempera-Medien, unterliegt aber Abbauprozessen zu grün oder schwarz.

In der Tat ist Malachit, ein weiteres natürliches Mineral des Kupfers, nur eine stärker oxidierte Form des Minerals Azurit. Daher ist es die Zunahme der Oxidation, die den Farbwechsel von Blau zu Grün verursacht. Die Formel für diese Veränderung beinhaltet die Zugabe von einem Molekül Wasser zu zwei Molekülen Azurit, wobei ein Molekül Kohlendioxid freigesetzt wird und drei Moleküle Malachit übrig bleiben.
Die Oxidation ist kontinuierlich und damit auch die langsame Umwandlung von Blau nach Grün. Azurit wandelt sich auch in ein schwarzes Pigment, das Kupferoxid Tenorit, um.

Nanokristallographie: Azurit

Azurit ist ein basisches Kupferkarbonat, das in vielen Teilen der Welt auf den oberen, oxidierten Teilen von kupferhaltigen Mineralvorkommen gefunden wird. In der Natur ist Azurit in der Regel mit Malachit vergesellschaftet, dem grünen basischen Kupferkarbonat, das viel häufiger vorkommt. Es wurde gelegentlich von den Ägyptern verwendet, aber erst im Mittelalter nahm seine Verwendung zu, als die Herstellung des alten synthetischen Pigments „Ägyptisch Blau“ in Vergessenheit geriet. Jahrhundert künstlich hergestellt, bis es durch das im achtzehnten Jahrhundert entdeckte „Preußisch Blau“ ersetzt wurde. Azurit war das wichtigste blaue Pigment in der europäischen Malerei während des Mittelalters und der Renaissance.

Nanokristallographie

Malachit ist ein alkalisches Kupfercarbonat. Es ist ein relativ stabiles Pigment von variabler Farbe und ist vielleicht das älteste grün gefärbte Pigment, das existiert. Es ist empfindlich gegenüber Säuren und Hitze. Es wurde in Malereien auf ägyptischen Gräbern und auf europäischen Gemälden gefunden, die besonders im fünfzehnten und sechzehnten Jahrhundert wichtig waren.


Nanokristallographie: Wussten Sie, dass…

Farbe dient Insekten zur Tarnung und als Warnung für Fressfeinde vor ihrem unangenehmen Geschmack, uns Menschen aber erregt sie meist durch ihre Schönheit unsere Aufmerksamkeit.

Die Farbe Blau ist in Lebensmitteln nicht sehr häufig und wird im Allgemeinen mit giftigen Früchten oder Lebensmitteln in schlechtem Zustand in Verbindung gebracht. Die Marmorbeere (Pollia condensata) hat jedoch nicht nur eine brillante metallisch blaue Farbe, sondern erreicht diese auch ohne blaue Pigmente.

Strukturelle Farbe findet man in Seifenblasen, Pfützen, im Gefieder des Pfaus und bei vielen anderen Arten.

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