(For English version see below)
„Unser Vorbild ist häufig die Natur“, sagt Patrick Huber, Leiter des Instituts für Material- und Röntgenphysik an der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und der Arbeitsgruppe für Hochauflösende Röntgenanalytik am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY). Er ist, zusammen mit Melanie Schnell vom DESY, auch Sprecher des Zentrums für Molekulare Wasserforschung. Bei einem seiner Forschungsprojekte ist das Vorbild ein sehr konkretes, nämlich ein Chamäleon.
Das Chamäleon ist ein sprichwörtlicher Verwandlungskünstler: Am besten ist es dafür bekannt, dass es seine Farbe wechseln kann. Das tun einige Arten nicht mit Hilfe von Farbpigmenten in der Haut, sondern über die Reflektion von Licht, wie Wissenschaftler vor zehn Jahren herausgefunden haben. Je nachdem, ob das Tier entspannt oder gestresst ist, verändert sich die Anordnung von winzigen Kristallen in seiner Haut. Dann reflektieren die Kristalle entweder kurzwelliges blaues Licht (das die Haut grün erscheinen lässt) oder langwellliges rotes: Das Chamäleon verändert seine Farbe von grün über gelb zu orange.
Alles dreht sich um Wasser
Dieses Prinzip macht sich eins der Forschungsprojekte im Rahmen des neuen Exzellenzclusters „BlueMat“ (siehe Infokasten unten) zunutze, dessen Sprecher Patrick Huber ist. Aber anders als beim Chamäleon wird hier noch eine Wunderzutat verwendet – Wasser. Wasser ist das entscheidende Element bei allen Forschungsvorhaben von „BlueMat“, das den Zusatz „Water Driven Materials“ trägt, also Materialien, die durch Wechselwirkung oder Kontakt mit Wasser ganz neue Eigenschaften entwickeln. Diese Eigenschaften können für die Entwicklung neuer, umweltfreundlicher Verfahren genutzt werden.
Um zu erklären, wie er und sein Team Wasser einsetzen, um den Chamäleon-Trick nachzuahmen, lässt Patrick Huber auf seinem Laptop einen kleinen Film laufen. Darin zeigt er eine kreisförmige Oberfläche, die mit Silizium beschichtet worden ist. Silizium ist ein Halbmetall und das zweithäufigste Element der Erdkruste, das heißt: Es ist in großem Maß verfügbar. Silizium, sagt Huber, „kann man sehr, sehr leicht dazu bringen, seine Farbe zu verändern“. Die Silizium-Oberfläche in Patrick Hubers Film ist porös. Die Poren haben eine solche Geometrie, dass sie nur eine bestimmte Wellenlänge von Licht reflektieren, in diesem Fall: die von grünem Licht. Die Oberfläche ist also grün, ohne ein einziges Farbpigment zu enthalten.
Aus grün wird rot
Jetzt tropft Patrick Huber etwas Wasser in die Mitte seines grünen Kreises. Und da, wo’s nass ist, wird es jetzt: orange (im Film sagt Huber „rot“, aber das liegt daran, erklärt er lachend, dass er farbenblind ist). Das Wasser hat die Struktur der Poren verändert, so dass sie jetzt andere Lichtwellen reflektieren. Kapillarkräfte ziehen Wasser wie ein Schwamm ins Silizium hinein, und so, wie sich ein trockener Schwamm verändert, wenn er nass wird, verändert sich auch die poröse Oberfläche. Die mit Wasser gefüllten Poren reflektieren nun eine andere Lichtwellenlänge, so dass aus der Summe aller Farben, die im Licht enthalten sind, nur das orangefarbene zurückgeworfen wird.
Natürlich muss das Wasser irgendwie ins Silizium rein- und wieder rauskommen. „Da sind verschiedene Prinzipien denkbar“, sagt Huber. Etwa über Verdampfen (das Wasser verlässt das Material) und Kondensation (das Wasser kehrt zurück). Das kann man zum Beispiel mit Strom bewirken. Möglich ist auch, das Farbspiel als Warnsystem einzusetzen. Wenn etwas nicht nass werden darf, könnte der Farbwechsel bei Wasserkontakt den Hinweis geben: Achtung, hier ist was nass geworden, bitte handeln!
Displays nach dem Prinzip Chamäleon
„Unser Ziel ist es“, so Patrick Huber, „dass man die Farben innerhalb von Mikrosekunden umschalten kann. Und dass das ganze skalierbar wird.“ Dann wäre es möglich, mit diesem Prinzip zum Beispiel Displays zu bauen, die mit einfachsten Materialien auskommen. Hier bringt er wieder die Natur ins Spiel: „In den letzten 30 Jahren haben wir als Forschende immer mehr verstanden, wie es die Natur schafft, mit relativ einfachen Elementen hochrobuste Stoffe und Materialien herzustellen, die viele Funktionen erfüllen.“ Wenn ein Material möglichst einfach und gut verfügbar ist, hilft das, sich damit von Lieferanten im Ausland unabhängig zu machen. Im Fall der Strukturfarben (wie das Prinzip Chamäleon heißt) braucht man außerdem keine chemisch hergestellten Pigmente, die häufig ein Gesundheitsrisiko darstellen. Und nachhaltig sind Farben aus Wasser und Licht natürlich sowieso.
Ein entscheidender Baustein dieser Arbeit sind die weltweit einzigartigen Röntgenquellen, die in Hamburg zur Verfügung stehen – vom DESY bis zum europäischen Röntgenlaser European XFEL. „Sie ermöglichen es uns, Wasser in einer bislang unerreichten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu untersuchen, vom Verhalten einzelner Wassermoleküle bis hin zu den Wechselwirkungen in komplexen Materialien und Bauteilen“, so Huber. Zusammen mit dem Center for Molecular Water Science (CMWS) nutzen die Forschenden diese sogenannten brillanten Röntgenlichtquellen, um die fundamentalen Eigenschaften von Wasser zu entschlüsseln und daraus konkrete Anwendungen zu entwickeln.
„Man könnte ein Denkmal schaffen“
Patrick Huber hat jede Menge Anwendungsmöglichkeiten im Kopf, und die müssen nicht alle die Welt verändern: „Eine Idee treibt mich schon jahrelang um – man könnte damit eine Kunstinstallation machen, also ein besonderes Denkmal schaffen.“ Oder, ganz spielerisch, künstliche Korallenriffe bauen, die ihre Farben wechseln.
Andere Forschungsvorhaben innerhalb von „BlueMat“ sind etwa smarte Fenster, die die Temperatur in Gebäuden regulieren können. In ihre Oberfläche müsste Wasser integriert werden, und wenn das im Sonnenschein verdampft, würden nur bestimmte Strahlen durchgelassen werden – je nachdem, wie hell oder dunkel, warm oder kalt es draußen ist. Oder Energiegewinnung durch Hydrovoltaik: Wenn eine Struktur feucht wird und dann wieder trocknet, wie das etwa bei Ebbe und Flut geschieht, wird durch die Verdampfung der Wassermoleküle elektrischer Strom erzeugt.
„Die Suche nach Leben ist eine Suche nach Wasser“
Patrick Huber forscht seit 2005 zum Thema Wasser, und die Begeisterung dafür spricht aus allem, was er sagt – so, zum Beispiel, wenn er aufzählt, warum Wasser ein so überlegener Stoff ist: „70 Prozent der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt. Alle biologischen Prozesse laufen im Wasser ab. Die Suche nach Leben im Universum ist immer eine Suche nach Wasser. Zumindest können wir uns bisher nichts anderes vorstellen.“
Die Faszination für wasserfunktionalisierte Materialien teilt er mit seinem Team: „Alle unsere Arbeiten sind das Ergebnis echten, gelebten Teamworks“, schwärmt er: „Ich habe das große Glück, mit hochmotivierten, kreativen und engagierten Menschen zusammenzuarbeiten – Studierende, Doktorandinnen und Doktoranden, Postdocs und technische Mitarbeitende. Sie alle bringen ihre Neugier, Energie und Ideen in unsere Forschung ein.“ Die gemeinsame Begeisterung, so Huber, „ist der Motor unserer Arbeit.“
Eine zweite industrielle Revolution
Es ist fast zwangsläufig, dass Huber im Gespräch auch auf eine der großen Erfindungen des letzten Jahrtausends kommt: die Dampfmaschine, die 1776 vorgestellt wurde. „Die Dampfmaschine nutzt Wasser als Arbeitsflüssigkeit auf einer makroskopischen Skala, also im großen Maßstab. Unsere Idee ist: Wir nutzen jetzt Wasser auf der Nanoskala als Arbeitsflüssigkeit, also in ganz kleinen Strukturen, und erzeugen damit nachhaltige Energie, um unser CO2-Problem in den Griff zu kriegen.“ Denn die Erfindung der Dampfmaschine hat die industrielle Revolution angestoßen und die Industrialisierung ins Rollen gebracht, die schließlich den Klimawandel mitbedingt hat. Bei „BlueMat“ ist auch schon mal von einer „zweiten industriellen Revolution“ die Rede, die mit der Forschung bewirkt werden soll.
Wasser als Arbeitsflüssigkeit gehört auch zu Patrick Hubers frühesten Kindheitserinnerungen. Sein Vater, erzählt er, war Lokführer, „der ist noch richtig Dampflok gefahren“. Als kleiner Junge durfte der Sohn auch mal mitfahren, das hat ihn bis heute tief beeindruckt. „Lokführer hätte ich nicht werden können“, bedauert Patrick Huber, „wegen meiner Farbenblindheit.“ So ist er eben Physiker geworden.
Info:
Im Exzellenzcluster „BlueMat“, einem interdisziplinären Forschungsverbund, haben sich viele verschiedene Partner unter der Leitung der Technischen Universität Hamburg (TUHH) zusammengetan: die Universität Hamburg und das Helmholtz-Zentrum Hereon, das Deutsche Elektronen-Synchotron DESY und das European XFEL, die Helmut-Schmidt-Universität der Bundeswehr, die Hochschule der bildenden Künste in Hamburg und die Bundeanstalt für Materialforschung. Außerdem beteiligt: Fraunhofer IAPT Einrichtung für Additive Produktionstechnologien, Hamburg Media School, Center for Molecular Water Science CMWS, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), UN University und die Joachim Herz Stiftung. Im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern wird die Forschung an Water Driven Materials zunächst sieben Jahre lang mit bis zu 58 Millionen Euro gefördert. Über 150 Forschende werden gemeinsam daran arbeiten, Wasser als gestaltendes Element für Materialien neu zu denken.
English:
Learning from the Chameleon
Creating colors purely through the interplay of light and tiny structures — just as the reptile does on its skin — is the focus of research by a team from the Hamburg University of Technology (TUHH) and the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). No chemical additives are required, only one true miracle substance: water.
“Our inspiration often comes from nature,” says Patrick Huber, head of the Institute for Materials and X-Ray Physics at the Hamburg University of Technology (TUHH) and of the Working Group for High-Resolution X-Ray Analytics at DESY. Together with Melanie Schnell from DESY, he is also the spokesperson for the Center for Molecular Water Research. In one of his research projects, the model is a very specific one — a chameleon.
The chameleon is a proverbial master of transformation: it is best known for its ability to change color. It does this not with pigments in its skin but through the reflection of light, as scientists discovered about ten years ago. Depending on whether the animal is relaxed or stressed, the arrangement of tiny crystals in its skin changes. The crystals then reflect either short-wave blue light (which makes the skin appear green) or long-wave red light. In this way, the chameleon shifts its color from green to yellow to orange.
It’s All About Water
One of the research projects within the new Cluster of Excellence “BlueMat” (see info box below), led by Patrick Huber, makes use of this principle. But unlike the chameleon, this project adds one magic ingredient — water. Water is the crucial element in all BlueMat research projects. The cluster’s subtitle, “Water Driven Materials”, refers to materials that develop entirely new properties through interaction or contact with water. These properties can be used to develop new, environmentally friendly technologies.
To explain how he and his team use water to replicate the chameleon’s trick, Patrick Huber plays a short video (German only) on his laptop. It shows a circular surface coated with silicon. Silicon is a semimetal and the second most abundant element in the Earth’s crust — in other words, it is widely available. “Silicon,” says Huber, “can be made to change its color very, very easily.” The silicon surface in Huber’s video is porous. The pores are structured so that they reflect only one specific wavelength of light — in this case, green. Thus, the surface appears green without containing a single pigment.
From Green to Red
Now Patrick Huber drips a little water into the center of the green circle. And where it gets wet, it turns orange (in the video, Huber says “red,” but he laughs and explains that this is because he is color-blind). The water changes the structure of the pores so that they now reflect different wavelengths of light. Capillary forces draw the water into the silicon like a sponge, and just as a dry sponge changes when it gets wet, the porous surface changes too. The water-filled pores now reflect a different wavelength, meaning that from the entire spectrum of light, only the orange part is reflected.
Of course, the water must somehow get into and out of the silicon. “There are several possible mechanisms,” says Huber. For instance, evaporation (the water leaves the material) and condensation (the water returns). This process could even be electrically controlled. The color change could also serve as a warning system: if something should not get wet, a change in color upon water contact could serve as a signal: Attention! Something just got wet — take action!
Displays Based on the Chameleon Principle
“Our goal,” says Patrick Huber, “is to be able to switch colors within microseconds — and to make the whole process scalable.” That would make it possible to build displays, for example, using the simplest materials. Once again, he looks to nature for inspiration: “Over the last 30 years, we researchers have increasingly understood how nature manages to create highly robust materials from relatively simple elements that can perform many functions.”
If a material is as simple and readily available as possible, this helps to reduce dependence on foreign suppliers. In the case of structural colors (the scientific term for the chameleon principle), no chemically produced pigments — which often pose health risks — are needed. And of course, colors made from water and light are inherently sustainable.
A crucial component of this research is the world-class X-ray sources available in Hamburg — from DESY to the European XFEL. “They allow us to study water with unprecedented spatial and temporal resolution — from the behavior of individual water molecules to interactions within complex materials and components,” says Huber. Together with the Center for Molecular Water Science (CMWS), researchers use these brilliant X-ray light sources to decode the fundamental properties of water and translate them into practical applications.
“You Could Create a Monument”
Patrick Huber has plenty of application ideas — and not all of them need to change the world: “There’s one idea I’ve been thinking about for years — you could use this to create an art installation, a special kind of monument.” Or, more playfully, artificial coral reefs that change their colors.
Other BlueMat research projects include, for example, smart windows that can regulate a building’s temperature. Water would be integrated into their surface, and when it evaporates in sunlight, only certain wavelengths of light would pass through — depending on how bright, dark, warm, or cold it is outside. Another idea is energy generation through hydrovoltaics: when a structure becomes wet and then dries again—as happens with the tides — the evaporation of water molecules produces an electric current.
“The Search for Life Is a Search for Water”
Patrick Huber has been researching water since 2005, and his enthusiasm for it is obvious in everything he says — for example, when he lists why water is such a superior substance: “Seventy percent of Earth’s surface is covered by water. All biological processes take place in water. The search for life in the universe is always a search for water. At least for now, we can’t imagine it any other way.”
He shares his fascination for water-functionalized materials with his team: “All of our work is the result of genuine, lived teamwork,” he says enthusiastically. “I’m incredibly fortunate to work with highly motivated, creative, and dedicated people — students, doctoral candidates, postdocs, and technical staff. They all bring their curiosity, energy, and ideas into our research.” This shared passion, says Huber, “is the driving force behind our work.”
A Second Industrial Revolution
It is almost inevitable that Huber mentions one of the greatest inventions of the last millennium: the steam engine, which was introduced in 1776. “The steam engine uses water as a working fluid on a macroscopic scale—that is, on a large scale. Our idea is to use water as a working fluid on the nanoscale — in very small structures — and thus generate sustainable energy to tackle our CO₂ problem.”
The invention of the steam engine triggered the Industrial Revolution and set industrialization in motion — ultimately contributing to climate change. Within BlueMat, people are already talking about a “second industrial revolution” that this research might help bring about.
Water as a working fluid also belongs to Patrick Huber’s earliest childhood memories. His father, he recalls, was a train driver — “he actually drove a real steam locomotive.” As a little boy, Huber was sometimes allowed to ride along, which left a deep impression on him. “I couldn’t have become a train driver myself,” Patrick Huber says with a smile, “because of my color blindness.” So instead, he became a physicist.
Info:
In the Cluster of Excellence “BlueMat”, an interdisciplinary research alliance, many partners have joined forces under the leadership of the Hamburg University of Technology (TUHH): the University of Hamburg and the Helmholtz Center Hereon, the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) and the European XFEL, the Helmut Schmidt University of the Federal Armed Forces, the Hamburg University of Fine Arts, and the Federal Institute for Materials Research and Testing. Also involved: Fraunhofer IAPT for Additive Production Technologies, Hamburg Media School, Center for Molecular Water Science (CMWS), Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), the UN University, and the Joachim Herz Foundation. As part of the Excellence Strategy of the German federal and state governments, research on Water Driven Materials will initially be funded for seven years with up to 58 million euros. More than 150 researchers will work together to rethink water as a creative element in material design.
