Ein blaues Hightech-Wunder

2. Oktober 2012, 18:49
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Indigo, ein seit Jahrtausenden bekannter Farbstoff, hat die Eigenschaften eines Halbleiters, wie Forscher rund um Wittgensteinpreisträger Serdar Sariçiftçi feststellten

Eigentlich hätte es gar nicht funktionieren dürfen. "Niemand hat damit gerechnet. Indigo bricht alle Regeln", sagt Eric Glowacki. Der junge Doktoratsstudent aus dem Team des Solarzellenpioniers Niyazi Serdar Sariçiftçi ist sichtlich enthusiastisch, wenn er von den speziellen Eigenschaften von Indigo spricht.

Glowacki und sein Kollege Mihai Irimia-Vladu fanden im Vorjahr per Zufall heraus, dass sich die uralte Farbe Indigo in Form dünner Filme als Halbleiter eignet - entgegen allen bisherigen Grundsätzen der Chemie. "Dass die Struktur der Moleküle die Leitfähigkeit unterstützt, ist eine echte Überraschung", sagt Glowacki, was bedeutet: Der einst aus Färberwaid gewonnene Jeansfarbstoff ist ein vielversprechender Kandidat für biologisch abbaubare Elektronikbauteile.

"Dass diese antike Substanz nach Jahrtausenden als Hightech-Material zurückkommt, ist eine der schönsten Storys in meinem Forscherleben", stellt Sariçiftçi fest. Der Leiter des Linz Institute for Organic Solar Cells (LIOS) an der Johannes-Kepler-Uni Linz ist einer der meistzitierten Materialwissenschafter und wurde heuer vom Wissenschaftsministerium mit dem höchstdotierten Wittgensteinpreis ausgezeichnet.

Er und sein Team sind schon lange dabei, organische Materialien wie Zucker, Seide und Schellack auf ihre Tauglichkeit für elektronische Komponenten zu testen. "Wir haben einen Zoo an Molekülen, die wir untersuchen", sagt Sariçiftçi. Die sogenannte organische Elektronik ist auf der Suche nach kompostierbaren und biologisch verträglichen Materialien, die eine billige Massenproduktion erlauben und das schwelende Problem des überhandnehmenden Elektromülls lösen und darüber hinaus ein boomendes Feld.

Farbecht und stabil

"Bisher hing immer ein Damoklesschwert über der organischen Elektronik, nämlich die stark reduzierte Stabilität gegenüber dem herkömmlichen Halbleiter Silicium", sagt Sariçiftçi. Doch Indigo ist die Ausnahme: Es ist sehr stabil und widersetzt sich auch der Zersetzung in der Luft. Kein Wunder, bleiben doch Flaggen und andere Textilien, die mit Indigo gefärbt wurden, auch über Jahrhunderte farbecht.

Für das blaue Halbleiterwunder sorgt eine sogenannte Wasserstoffbrücke im Indigo-Molekül. Das ist jenes Prinzip, das Wasser genauso wie DNA zusammenhält. "Es ist so: Wir konnten zeigen, dass ein schlechter Ziegel, der für sich allein nichts taugt, innerhalb einer Mauer ein guter Ziegel ist", bringt Irimia-Vladu die komplexen Prozesse auf den Punkt.

Im LIOS-Labor wachsen unter Vakuum die Farbstofffilme, indem Molekül für Molekül kontrolliert auf eine Oberfläche aufgedampft wird. Rund 50 Nanometer dünn, also hundertmal kleiner als ein Bakterium, sind die Filme, die auf daumennagelgroßen Blättchen aufgebracht werden.

Die Forscher können bereits eine buntschillernde Palette von Transistoren vorweisen, getönt in Farben von Zartrosa über Magenta bis Hellblau. Total bio, versteht sich: Das Blättchen selbst besteht aus dem Naturharz Schellack, gewonnen aus den Ausscheidungen weiblicher Lackschildläuse, und als Isolatorschicht dient ein Inhaltsstoff der Aloe-vera-Pflanze. Mit dem Indigo als organischem Halbleiter wurde eine bisher wenig erforschte Lücke geschlossen. "Man kann diese Transistoren essen", versichert Irimia-Vladu.

Doch: "Indigo ist erst der Anfang", wie Glowacki betont. Als noch leistungsstärker erwies sich der echte Purpur, ebenfalls ein antiker Farbstoff, der mühsam aus Purpurschnecken extrahiert wurde und chemisch dem Indigo verwandt ist. Auf der Basis dieser Naturstoffe testen die Forscher nun ähnliche Verbindungen, um zu verstehen, welche Derivate sich am besten in der organischen Elektronik einsetzen lassen.

Hier kommt die Chemikerin Gundula Voss ins Spiel, langjährige Indigospezialistin von der Universität Bayreuth. Kurz vor ihrer Pensionierung kam sie mit den Materialwissenschaftern aus Linz in Kontakt, die sie als Gastprofessorin ins Team holten. Im Mai übersiedelte sie samt ihrer umfangreichen Sammlung indigoähnlicher Designermoleküle ins LIOS. "Ich habe etwa 50 Verbindungen kreiert", erzählt Voss. In Glasfläschchen bewahrt sie schwarzblaues Indigopulver auf, dazu Abwandlungen in allen Schattierungen zwischen Blau und Violett, denen sie das eine oder andere Element hinzugefügt oder weggenommen hat.

"Wir sind dabei, eine neue Palette bioorganischer Materialien zu erschaffen, die auf der ältesten Chemie beruhen", sagt Sariçiftçi. Die Anwendungsmöglichkeiten für die von der Natur inspirierte Elektronik sind breit: Die ultradünnen Filme lassen sich etwa auf Textilien und Papier drucken. Abbaubare Mikroprozessoren und Sensoren könnten direkt auf oder unter der Haut angebracht werden, etwa zur Diagnose von Blutwerten von Diabetikern. Essbare Chips auf Lebensmitteln könnten über Lieferwege und Frische Auskunft geben. Die neuen Erkenntnisse sollen aber auch für die Weiterentwicklung organischer Leuchtdioden (OLED) in Displays und organischer Solarzellen - dem ureigensten Forschungsfeld von Sariçiftçi und seinem Team - genutzt werden.

Vorerst begaben sich die Wissenschafter aber zurück zu den Ursprüngen und machten einen Ausflug zur Blaudruckerei Wagner im nahen Bad Leonfelden - einem der wenigen Betriebe, wo seit mehr als 150 Jahren Leinen nach alter Tradition mit Indigo gefärbt wird. Dabei hat sich gezeigt, dass Färber und Forscher durchaus voneinander lernen können: Eine Kooperation zur Entwicklung neuer Naturfarben auf Indigobasis ist geplant. (Karin Krichmayr/DER STANDARD, 3. 10. 2012)


Wissen: Bewährte Verbindungen
Seit mindestens 4000 Jahren wird Indigo als Farbstoff verwendet, wie archäologische Funde am namensgebenden indischen Subkontinent gezeigt haben. In Europa wurde das tiefe Blau seit dem Mittelalter aus der Färberwaidpflanze gewonnen, bis Adolf von Baeyer 1883 die chemische Struktur von Indigo entdeckte. Die Synthese des Farbstoffes durch die Firma BASF begründete die erste chemische Industrie. Indigo ist heu te die meistproduzierte Farbe der Welt.

Aus der Färbersprache stammen geläufige Redewendungen: "Ein blaues Wunder erleben" bezeichnete die Verfärbung des Stoffs von Gelb zu Grün zu Blau durch Oxidation an der Luft. Oder "blaumachen", das laut einer von mehreren Erklärung daher rührt, dass die Färber während des Trocknens der Stoffe ins Gasthaus gingen.

Purpur, das dem Indigo chemisch sehr ähnlich ist, wurde hingegen nie in großem Maßstab erzeugt. Die Phönizier entdeckten um 1500 v. Chr., dass die Absonderung der Drüsen bestimmter Stachelschnecken Textilien wasserfest färben. Weil tausende Schnecken benötigt werden, um wenige Gramm Farbe zu gewinnen, wurde Purpur ein Symbol für Macht und Reichtum, die Farbe der römischen Senatoren, der Könige und Kardinäle.

Im 20. Jahrhundert wurde ei ne unüberschaubare Zahl organischer Farbstoffe - hauptsächlich auf Erdölbasis - entwickelt, neue Einsatzgebiete wurden gefunden. Nun könnten die "alten" Verbindungen eine Renaissance erleben. (kri)

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