Lichtschlucker: Laserbehandlung macht Metalle ultraschwarz

Dinge sind schwarz, wenn sie kaum einen Lichtstrahl reflektieren. Jetzt präsentieren US-Forscher eine Methode, jede Metalloberfläche per Laser ultraschwarz zu machen: Ihre extrem kurzen Laserstöße verursachen winzige Grate und Furchen, die so gut wie jedes auftreffende Licht verschlucken.

Rochester (USA) - Das sorgt zum einen für dauerhafte Schwarzfärbung und damit für bessere Farbschichten, Solarzellen und Lichtsensoren; zum anderen vervielfacht es die Oberfläche eines Metalls und dürfte deutlich effektivere Katalysatoren und Brennstoffzellen möglich machen.

"Wir sind von den vielen möglichen Anwendungen für die Methode überrascht", erklärt Chunlei Guo, Optikprofessor an der University of Rochester die eher zufällige Entdeckung: Eigentlich wollte das Team nur generell die Metalleigenschaften unter verschiedenen Laserbedingungen untersuchen, und sie "stolperten über diese Methode, die komplett die Reflexionseigenschaften von Metallen verändert". Guos Team arbeitete mit einem Titan-Saphir-Femtosekundenlaser, der mit normaler Steckdosenspannung funktioniert. Er stößt Lichtpulse aus, die nur wenige Femtosekunden andauern, wenige Billiardstel einer Sekunde (das Verhältnis Femtosekunde zu Sekunde entspricht einer Sekunde zu 32 Millionen Jahren). Bei 65 Femtosekunden-Pulsen ist die auftreffende Energiemenge, auf einen kleinen Punkt gebündelt, extrem intensiv. Offenbar bringt sie winzige Mengen des Metalls zum Schmelzen und formt so die Strukturen in Nanometergröße: Dellen, Kügelchen, Grate und Furchen. Länger andauernde Pulse würden mehr Metall zum Schmelzen bringen und damit für größere Strukturen sorgen -- die das Licht weniger effektiv absorbieren könnten.

Die neue Oberfläche absorbiert nahezu 100 Prozent des sichtbaren Lichtes und wirkt pechschwarz, berichtet Guos Team. Das gilt für alle getesteten Metalle, von Aluminium bis Zink, für Gold und Platin ebenso wie für Kupfer und Wolfram. Damit könnte die Methode das Anstreichen oder Beschichten mit schwarzer Farbe ersetzen -- für schicke Autos ebenso wie für Lichtsensoren, Detektoren und Solarzellen, die möglichst viel Licht absorbieren müssen. Auch für militärische Anwendungen ist die Methode interessant, wenn solche Oberflächen ebenfalls Radar- oder Infrarotlicht verschlucken und Flugzeuge oder Schiffe in diesem Wellenlängenbereich "unsichtbar" machen könnten. Gleichzeitig bietet die aufgeraute Oberfläche deutlich mehr Angriffsfläche für chemische Reaktionen als vorher. Das dürfte Katalysatoren aller Art effektiver machen, und auch den Vormarsch von Brennstoffzellen befördern.

Bislang ist der Prozess allerdings sehr langsam, da der Laser auch immer wieder neu positioniert werden muss. Eine schwarze Fläche von Münzgröße zu erzeugen dauert rund eine halbe Stunde. Automatisierung und der Einsatz mehrerer Laser dürften dies beschleunigen. Derzeit untersuchen Guo und Kollegen allerdings noch weitere Varianten der Methode: welchen Effekt unterschiedliche Wellenlängen, Impulsdauern und -intensitäten haben, und ob sich die Methode auch auf andere Materialien anwenden lässt.