Jetzt haben wir schon einiges über Farbmittel gelernt und erfahren, dass manche Farbmittel verblassen und andere wie Strukturfarben ihre ursprüngliche Farbe behalten können. Allerdings gibt es noch mehr Beispiele von Farben, die nicht verblassen. Fällt dir etwas ein? Dann schreibe es in die Kommentare!
Ein Beispiel für gefärbte Gegenstände, die nicht ausbleichen, sind Kirchenfenster. Alte Kirchen zeigen oft wunderschön bunte Glasfenster, deren Farben seit Jahrhunderten erhalten geblieben sind. Auch antike Glaskelche wie der Lykurgos-Becher zeigen noch heute eine kräftige rote Farbe, obwohl der Becher fast 2000 Jahre alt ist! Aber wie kommt die Farbe in das Glas? Hast du eine Idee? Dann schreibe es in die Kommentare!
Hinter diesen brillanten Farben stecken winzige Teilchen aus Gold und Silber, die in das Glas eingebettet sind. Man nennt sie Edelmetall-Nanopartikeln. Nanopartikeln sind extrem kleine Teilchen in der Größe von nur einen Milliardstel Meter oder einen Nanometer. Doch woher kommt die Farbe der Metall-Partikeln? Das wollen wir uns an einem Beispiel ein wenig genauer anschauen.
Wir kennen Gold als glänzend gold-gelbes Metall, das oft in Schmuck verwendet wird. Aber wenn man ein Goldstück immer kleiner machen würde, sodass es am Ende nur noch wenige Nanometer groß wäre, dann würde es eine rote Färbung wie im Lykurgos-Becher zeigen.
Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir uns den atomaren Aufbau des Metalls ansehen. Man kann sich vorstellen, dass Metall-Nanopartikeln auf der atomaren Ebene aus einem festen Gitter positiver Atome mit frei beweglichen negativen Elektronen bestehen. Da sich die Elektronen frei bewegen können, leiten Metalle Strom. Trifft nun eine Lichtwelle auf die Goldnanopartikeln, ‚sehen‘ die Elektronen in dem Partikel abwechselnd einen Wellenberg und ein Wellental der Lichtwelle. Da eine Lichtwelle ein elektrisches Feld ist, werden die Elektronen von der Lichtwelle abgestoßen. In Abfolge der Wellentäler und -berge folgen die Elektronen also dieser ‚Auf-und-Ab‘ Bewegung: sie fangen an zu schwingen. Die Schwingungsfrequenz der Elektronen gibt dabei an, wie schnell die Elektronen auf- und abschwingen, und hängt von der Wellenlänge des eintreffenden Lichts ab. Kleinere Lichtwellenlängen lassen die Elektronen schneller schwingen, während längere Lichtwellenlängen sie langsamer schwingen lassen. Je nach Größe des Partikels gibt es eine bestimmte Frequenz, bei der die Elektronen besonders gut schwingen können. Man nennt das eine „Eigenfrequenz“. Dies kann man sich als diejenige Frequenz vorstellen, mit der die Elektronen schwingen würden, wenn man sie einmal kurz ‚anstupst‘ und dann ausschwingen lässt – so ähnlich wie die Saiten eines Musikinstruments. Wenn nun die Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes die Elektronen genau mit der Eigenfrequenz schwingen lässt, verstärken sich diese Schwingungen, und das Licht wird besonders stark absorbiert (d.h. aufgenommen) und gestreut. Wir nennen dieses Phänomen „Plasmonenresonanz“. Daher kommt auch der Name „plasmonische Farbmittel“.
Die Eigenfrequenz der Nanopartikeln ist je nach Größe, Form und Material der Teilchen unterschiedlich, d.h. verschiedene Teilchen zeigen unterschiedliche Farben, da jeweils andere Farbwellen durch die Resonanzschwingung verstärkt absorbiert werden. Eine Goldnanokugel mit 20 nm Durchmesser zum Beispiel absorbiert grünes Licht, sodass wir die roten Farbwellen sehen. Solche Goldteilchen sind auch in das Glas des Lykurgos-Bechers eingeschmolzen und tragen zur roten Farbgebung bei.
In der Wissenschaft können wir messen, welche Farbwellen durch ein Teilchen absorbiert werden. Dafür verwenden wir ein Spektrometer. In diesem Gerät wird Licht auf eine Probe gestrahlt und gemessen, welche Farbwellen hindurchgehen und welche nicht. Das Gerät gibt uns dann ein Absorptionsspektrum aus, das uns zeigt, wie viel und welche Art von Licht von der Probe aufgenommen wird. Die Goldnanopartikeln werden zum Beispiel in einer Wasserlösung vermessen und das Ausgabespektrum sagt uns, dass das grüne Licht von den Partikeln absorbiert wird. Da Grün die Komplementärfarbe von Rot ist (siehe Absorptionsfarben), sieht die Goldnanopartikellösung rot aus.
Rätsel: Welche Farbe haben die Nanopartikellösungen?
Hier siehst du verschiedene Spektren von Nanopartikeln. Kannst du mit deinem neu erlernten Wissen die Partikellösungen ihren Spektren zuordnen?
Anwendungsbeispiel
Goldnanopartikeln sind sehr weit verbreitet in der wissenschaftlichen Forschung und werden beispielsweise als Transportmittel für Medikamente untersucht, um Wirkstoffe im menschlichen Körper genau an die Stelle zu transportieren, an der sie benötigt werden. Wegen ihrer auffälligen Farbe kommen sie auch in der medizinischen Diagnostik zum Einsatz. Hast du eine Idee, wo sie verwendet werden? Dann schreibe uns in die Kommentare!
Hast du es herausgefunden? Hinter der roten Linie in Corona-Schnelltests verbergen sich zum Beispiel Goldnanopartikeln. Hier sind Antikörper auf die Goldnanopartikeln gebunden, die an bestimmte Stellen im Test binden (C- und T-Linie), abhängig davon, ob du an einem Corona-Virus erkrankt bist oder nicht. An der Stelle, an der sich die Goldnanopartikeln anlagern, zeigt sich eine rote Linie.
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