Wissenschaft

Smart Surfaces und Licht

Innovative lichtlenkende Oberflächen

Auf einen Blick

Dieser Artikel beschreibt den heutigen Stand der Technik bei Smart Surfaces in Verbindung mit Licht sowie die vielfältigen Möglichkeiten, die diese neuen Materialien Designern, Architekten und Ingenieure bieten. Die Studie setzt ihren Schwerpunkt auf innovative lichtlenkende Oberflächen und untersucht deren Anwendungspotenziale. Dabei werden ausschließlich passiv und aktiv smarte Materialien, also adaptive und Mehrfunktionenwerkstoffe, thematisiert. Den kompletten Artikel lesen Sie in der LICHT Ausgabe 9 I 2014.

Mechanochrome Flächen reagieren sensibel auf Einwirkungen mechanischer Energie wie Druck, Zug, Reibung oder Dehnung. So lassen die hier gezeigten Paneele Fußabdrücke nach Betreten der mechanosensitiven Fläche hell leuchten.

1 Einleitung

2 Farb- und transparenzverändernde Oberflächen, Effektoberflächen

2.1 Chromogene Oberflächen

2.2 Dichroitische Oberflächen

2.3 Holografisch-optische Elemente

3 Transparenzveränderte Materialien

3.1 Transparenz durch Reduzierung der Reflexion

3.2 Hoch reflektierende Oberflächen

3.3 Faserverstärkte Materialien

3.4 Oberflächen aus lichtleitenden Membrantextilien

4 Lichtemittierende Oberflächen

4.1 Photolumineszierende Oberflächen

4.2 OLEDs und Elektrolumineszenzfolie

5 Weitere lichtlenkende Oberflächen

5.1 Dunkle Flächen ohne Aufheizung

5.2 Integrierte Mikrospiegel

5.3 Lichtumlenkende Oberflächen

5.4 Lichtsammelnde und -leitende Folien

5.5 Metamaterial

6 Fazit

 

1 Einleitung

Die Endlichkeit der fossilen Rohstoffe und Energieträger fordert die Erarbeitung von Alternativen. Die Materialforschung spielt bei Neuentwicklungen eine wichtige Rolle. Innovative Materiallösungen von Designern, Planern und Architekten treiben die Entwicklung im materialtechnischen Bereich voran. In erster Linie sind es aktuell jedoch die Arbeitsergebnisse der Institute für Grundlagen- und Anwendungsforschung im Bereich der Nanotechnologie und Bionikforschung, die auf internationaler Ebene die Entwicklung neuer Materialien fördern. Die Forschungsfragen gehen von den physikalischen Grundlagen hin zur Materialoptimierung und somit zur Erhöhung der Materialeffizienz. Zudem arbeiten Forschungsinstitute aktiv an der mechanischen Ankopplung von Oberflächen an biologische Systeme sowie an Biokompatibilität und Bioaktivität.

Auf der Grundlage dieser Forschungsarbeit entsteht aktuell ein Bereich, der reaktive Materie entwickelt. Das sind Materialien, denen außergewöhnliche Eigenschaften und Zusatzfunktionalitäten zugefügt werden. Derartige Stoffe bergen zusätzliche, teilweise bislang unbekannte Eigenschaften und unerwartete Funktionen. Der Trend geht hier von der Forschung an Funktionen hin zur Entwicklung von Multifunktionen. Statt Materialverhalten zu berücksichtigen, ist es nun möglich, Materialverhalten vorherzubestimmen. Nicht selten zeigen sich vor einigen Jahren noch undenkbare Qualitäten erst in Anwendungen. »Augenblicklich ist die Materialforschung auf der Molekularebene angekommen. Das Augenmerk wechselt von den Eigenschaften der Materialien zu ihrer Performance.« [1] Man nennt diese vergleichsweise junge Materialgruppe »Smart Materials«. Eine allgemeingültige Definition gibt es (noch) nicht. Die Grenzen sind bisweilen nicht eindeutig. Eine sinnbewanderte Unterteilung der Gruppe lässt sich dennoch nach Horst Blumenauers Hierarchie der Smart Materials darstellen: [2]
Mehrfunktionenwerkstoffe sind »passive smart«. Sie verfügen neben der strukturellen über mindestens eine weitere Funktion. Adaptive Materialien sind »active smart«. Im Unterschied zu herkömmlichen Oberflächen weisen sie die bestimmt entwickelte Fähigkeit auf, durch integrierte Sensoren bzw. Aktoren nach vorgegebenen Regelalgorithmen selbsttätig auf sich verändernde Umweltbedingungen zu reagieren. Intelligente Materialien sind »very smart« und fähig zum Bewältigen unerwarteter Ereignisse. Sie besitzen eine Lernfähigkeit auf der Basis von Vorwissen beispielsweise durch neuronale Netze. Intelligenz ist an eine Datenverarbeitung gebunden. Die häufig verwendete Bezeichnung »Intelligente Materialien« für Smart Materials ist demnach für »passive smart materials« sowie »active smart materials« nicht korrekt. Biomimetrische Materialien können sich an den Zyklus der lebenden Natur anpassen.

Die Oberflächen der Smart Materials können als »Smart Surfaces« bezeichnet werden: »Passive Smart Surfaces« sind Hüllen, die neben ihren konventionellen Eigenschaften wie Wasserabweisung, Schutz des Inneren und Widerstandsfähigkeit zusätzliche Funktionen aufweisen. Beispielsweise sind sie zusätzlich selbstreinigend (»self-clean«) oder leicht zu reinigen (»easy-to-clean«): Der bekannte Lotus-Effekt entsteht zum Beispiel durch superhydrophobe mikro- bis nanotechnologische Oberflächenveredelung. Solche Oberflächen können zusätzlich selbstschärfend sein, medienleitend, kratzfest und gleichzeitig geruchshemmend. Ein weiterer Forschungsbereich ist die Entwicklung von Oberflächen mit kombinierbaren smarten Eigenschaften, um komplexe Wandlungsmöglichkeiten zu erzielen. So kann ein Material beispielsweise tragende Eigenschaften besitzen und dabei transparent erscheinen.

»Active Smart Surfaces« benötigen Energie zur Reaktion und Aktivierung ihrer Zusatzfunktionen. Indem sie äußere Einflüsse wie zum Beispiel elektrische oder magnetische Felder, Temperaturänderungen, mechanische Belastung oder Einstrahlung bemerken, ermöglichen dynamische Wechseleigenschaften, auf diese vielfältig zu reagieren. Die Reaktion kann sich durch reversible Form-, Farb-, Viskositäts- oder Leitfähigkeitsänderung darstellen. Entwicklungen in diesem Bereich sind z.B. Formgedächtnis-Materialien und chromogene Oberflächen.
Ein großer Forschungsbereich stellt zudem die Entwicklung von Materialien mit Selbstreparaturmechanismus dar, zum Beispiel selbstheilender Beton. Die Heilung erfolgt durch aktivierten Kalk, der Risse schließt. Dazu werden dem Beton kalkausscheidende Bakterien beigemengt. Diese von diesen Mikroorganismen benötigte Nahrung, Hefeextrakt oder Pepton, wird dem Beton ebenfalls beigemischt.

Den kompletten Artikel lesen Sie in der LICHT Ausgabe 9/ 2014.
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Nachleuchtende Oberflächen wie die hier gezeigten Fliesen entstehen durch Einarbeitung von Hochleistungspigmenten mit starker Leuchtkraft in Farben oder Materialien wie Kunststoff und Stein.

Ein weiteres Beispiel für eine photolumineszierende Oberfläche bilden nachleuchtende Fugen. Heute ist es möglich, lumineszierende Effekte bis zu zwölf Stunden aufrecht zu erhalten.

2 Farb- und transparenzverändernde Oberflächen, Effektoberflächen

2.1 Chromogene Oberflächen
Chromogene Oberflächen gehören zu jenen Smart Surfaces, die ihre Farbe oder andere optische Eigenschaften wie Transparenz abhängig von einem oder mehreren Stimuli reversibel verändern können. [3] Zu ihnen zählen thermochrome und elektrochrome Oberflächen. Thermochrome, schaltende Oberflächen sind in der Lage, auf Temperatur zu reagieren, indem sie in Abhängigkeit dazu ihre Farbe bzw. Transparenz ändern. Sie zeigen beim Überschreiten einer Reaktionstemperatur einen Transparenz- bzw. Farbumschlag. Beim Abkühlen der Oberfläche erfolgt die Rückkehr in den ursprünglichen optischen Zustand . Die Besonderheit dieser reaktiven Flächen ist das Einstellen auf sich klimatisch verändernde Bedingungen durch selbsttätige Reaktion. Anwendungen mit thermochromen Materialien sind in der Materialgruppe der chromogenen Stoffe am vergleichsweise häufigsten anzutreffen. Im Gegensatz dazu haben elektrochrome, schaltbare Oberflächen als Stimulus ein elektrisches Feld. Durch das Anlegen einer Spannung ändern sie ihre Transparenz bzw. Farbeigenschaften. Das Potenzial dieser aktiven Systeme liegt in der beliebigen Schaltbarkeit. Die Schaltung, z.B. auf Knopfdruck, von einem durchsichtigen in einen lichtdurchlässigen, transluzenten bzw. stark streuenden Zustand, von farbig nach farblos oder von schwarz zu farbig, ist typisch. [4]

Neben den gestaltungsorientierten Anwendungen, beispielsweise als reagierende Oberfläche von Sitzgelegenheiten oder als schaltende Oberfläche einer sich farbig verändernden Mauer, werden thermochrome und elektrochrome Oberflächen als Sonnen- und Blendschutz in Gläsern, so genannten aktiven Fenstern oder Smart Windows, eingesetzt. Derartige Oberflächen ermöglichen keine Lichtlenkung im eigentlichen Sinne, sondern sind Beschattungsmaßnahmen, denen in Zeiten der Optimierung von Wärmedämmung eine steigende Bedeutung beigemessen wird. Forscher versprechen dieser Materialentwicklung eine große Zukunft, denn ihre Installation birgt erhebliche Einsparpotenziale. [5]

Obwohl die Effekte neben Glas bereits in viele Materialien überführt wurden, arbeiten Forscher aktuell an weiteren Trägerstoffen. Eine Überführung gelang beispielsweise bereits in Beton. Durch direkt bestromte und somit erwärmte Nickel-Chrom-Drähte erhitzt sich thermochrome Tinte, die dem Beton bei der Produktion zugegeben wird. Diese reagiert an der Oberfläche mit lokalen Farbveränderungen. So ist es möglich, das Material als Anzeigefläche für Grafiken und Zeichen, zum Beispiel in Wänden und Brüstungen als integrierte digitale Uhr in Stadtobjekten, zu nutzen.

Zu dieser Materialgruppe gehören auch fotochrome Stoffe. Sie reagieren auf den Stimulus Licht, durch den sie reversibel ihre Farbe ändern können. Bekannte Produktbeispiele sind selbsttönende Sonnenbrillen oder farbverändernder Nagellack. Obwohl der Einsatz tönender Gläser naheliegt, sind Anwendungen im Bereich der Architektur bislang selten. Mangelndes Langzeitverhalten und vergleichsweise hohe Herstellungskosten brachte bisher keine weite Durchsetzung. Aktuell werden diese Nachteile beseitigt und somit die Effizienz um ein Vielfaches verbessert.
Auch mechanochrome Oberflächen erhalten mehr Potenzial im Raum durch die Verbesserung ihrer optischen Wechseleigenschaften. Mechanochrome Flächen reagieren immer sensibler auf Einwirkungen mechanischer Energie wie Druck, Zug, Reibung oder Dehnung. Textilien verändern unter Dehnung die Farbe, Paneele lassen Fußabdrücke nach Betreten der mechanosensitiven Fläche hell leuchten.

2.2 Dichroitische Oberflächen
Werden Oberflächen mit einem Farbeffektfilter, einem dichroitischen Filter, beschichtet, treten durch Interferenzerscheinungen changierende Farbeffekte auf: Lichtwellen treffen auf mehrere unterschiedlich dünne Schichten, wodurch Reflexionen und Transmission übereinander gelagert werden. [6] Diese Effekte sind winkelabhängig, da die Wiedergabe der Farbwechsel und Verläufe je nach Lichteinfall erzeugt wird. Somit verändern sich die Effekte durch Beleuchtung, Sonne, Wolken und den Blickwinkel des Betrachters. Die Oberflächen zeigen unterschiedlich farbige, farbverlaufende, farbändernde Effekte sowie Transparenz. In der Architektur finden dichroitische Filter insbesondere auf Gläsern Anwendung. Auch andere damit ausgerüstete Oberflächen bieten Möglichkeiten, den oft farblosen Stadtraum durch optische Effekte zu transformieren und für den Betrachter ein überraschend lebendiges Lichtszenario zu kreieren. Anwendungen sind überall dort sinnvoll, wo Licht und Bewegung existieren und Aussagen durch Farbwelten unterstützt werden sollen. Einsatzmöglichkeiten bieten u.a. öffentliche Gebäude, Skulpturen, Brücken und Dachziegel.

2.3 Holografisch-optische Elemente
Holografisch-optische Elemente (HOE) nutzen in einem vordefinierten Winkel den Effekt der Beugung. Gerichtetes Licht kann so beispielsweise in die Tiefe des Raumes umgelenkt werden, diffuses Licht kann ungehindert passieren. So lassen sich in Glas eingebettete HOE als Sonnen- und Blendschutz bei gleichzeitiger Tageslichtnutzung einsetzen. [7] Ihre Qualitäten ermöglichen damit neue Formen der Lichtlenkung durch Glas-Fassaden. Entwickelt wurden auch in Glas eingebettete Elemente zur Licht- und Farbgestaltung. Möglich sind intensiv leuchtende Farben in homogenen oder mehrfarbigen Farbfeldern. Sie erlauben vielfältige Bildgestaltung und Informationsmitteilung, beispielsweise als Kunstwerke in Fassaden.

Den kompletten Artikel lesen Sie in der LICHT Ausgabe 9/ 2014.

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Autoren: Dipl.-Ing. Raphael Kirsch, MSc, Sandra Zimmermann, MSc, TU Berlin
Abbildungen: Sandra Zimmermann


Literatur

[1]    Klooster, Thorsten: Kunst und Wissenschaft bringen Beton zum Leuchten. Zitiert nach: Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung: Material formt Produkt. Innovation- und Marktchancen erhöhen mit professionellen Kreativen. Wiesbaden 2010.
[2]    Blumenauer, Horst: Bruchmechanische Werkstoffcharakterisierung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991.
[3]    Ritter, Axel: Smart Materials in Architektur, Innenarchitektur und Design. Birkhäuser, Berlin 2007.
[4]    Fraunhofer IAP 2008: Chromogene Polymere. URL: http://www.thermochrome-kunststoffe.de
[5]    Lang, Johannes: Hightech-Materialien für Gebäudefassaden. Bine Informationsdienst, Bonn 2011.
[6]    Bundesministerium für Bildung und Forschung (Hrsg.): nano.DE-Report 2009. Status Quo der Nanotechnologie in Deutschland. Berlin 2009.
[7]    Haas-Arndt, Doris; Ranft, Fred: Tageslichttechnik in Gebäuden. Müller, Heidelberg 2007.
[8]    Schart, Rainer 2011: Ein reflexionsloses Potential für Licht. URL:http://www.prophysik.de/details/news/prophyI40d67news/news.html?laid=14067
[9]    Bayern Innovativ: Textile Transparenz. Membranbauweise erlaubt große Leichtigkeit in der Architektur. Bayern 2010.
[10]  ASTRA 2011: Tunnelsicherheit: URL: http://www.astra.admin.ch/themen/nationalstrassen/00530/index.html?lang=de (Zugriff 15.04.2012) 

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