Optische Eigenschaften korrelierter Farbpigmente

Farbpigmente haben das Leben der Menschen schon immer bereichert und sind aus dem Alltag nicht wegzudenken: farbenfrohe Kleidung und Textilien, bunte Keramik und Glas, kunstvolle Drucke und Gemälde würden ohne sie nicht existieren. Ein beträchtlicher Anteil der weltweiten Produktion an Pigmenten wird mittlerweile auch für die Färbung von Kunststoffen und Lackierungen (z.b. für Autos) aufgewendet. Gebräuchliche anorganische Farbpigmente enthalten jedoch oft giftige und umweltschädliche Substanzen, z.B. Schwermetalle. Die Suche nach ungiftigen und umweltfreundlicheren Alternativen ist deshalb von allgemeinem Interesse. Dabei wäre es natürlich hilfreich, wenn man neue Pigmente, noch vor ihrer Herstellung im Labor, am Computer simulieren und ihre Farbe und optischen Eigenschaften berechnen könnte. Dafür gibt es bisher jedoch noch keine ausgereiften Methoden und Programme. Das geplante Forschungsprojekt möchte diese Lücke schließen. In diesem Sinne werden wir drei Klassen von neuen, umweltfreundlichen Farbpigmenten theoretisch untersuchen. Es sind dies (i) Fluorosulfide Seltener Erden, (ii) Seltenerd-Kuprate und (iii) bestimmte Übergangsmetalloxide. Die Farben dieser Pigmente reichen von rot-gelb (i), über grün (ii) bis blau (iii). Um die mikroskopischen Ursachen der beobachteten Farben besser zu verstehen, werden wir die optischen Eigenschaften der erwähnten Materialien ausgehend von ihren elementaren Bestandteilen, d.h. Atomen und Elektronen, berechnen. Dies ist eine große Herausforderung, da in den gewählten Materialien die Wechselwirkung zwischen den Elektronen eine besondere Rolle spielt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von starken elektronischen Korrelationen bzw. stark korrelierten Materialien. Um schlussendlich messbare Eigenschaften, z.b. die Farbe der Materialien, zu berechnen, bedarf es ausgeklügelter Methoden und Näherungen: darunter z.B. die Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder die dynamische Molekularfeldtheorie (DMFT) und darauf aufbauende Modellierungsverfahren. Mit Hilfe derartiger Methoden werden wir in diesem Forschungsprojekt die Farbe und optischen Eigenschaften der ausgewählten Pigmente berechnen. Anhand dieser Erkenntnisse möchten wir schlussendlich eine allgemeine theoretische Methode entwickeln, um in Zukunft neue Pigmente voraussagen zu können.

Farbpigmente haben das Leben der Menschen schon immer bereichert und sind aus dem Alltag nicht wegzudenken: farbenfrohe Kleidung und Textilien, bunte Keramik und Glas, kunstvolle Drucke und Gemälde würden ohne sie nicht existieren. Ein beträchtlicher Anteil der weltweiten Produktion an Pigmenten wird mittlerweile auch für die Färbung von Kunststoffen und Lackierungen (z.b. für Autos) aufgewendet. Gebräuchliche anorganische Farbpigmente enthalten jedoch oft giftige und umweltschädliche Substanzen, z.B. Schwermetalle. Die Suche nach ungiftigen und umweltfreundlicheren Alternativen ist deshalb von allgemeinem Interesse. In diesem Forschungsprojekt haben wir eine theoretische Methode entwickelt, um die Farbe und optischen Eigenschaften neuer Farbpigmente am Computer zu berechnen. Dies bedeutet einen Fortschritt, um zukünftig neue Pigmentmaterialien am Computer vorherzusagen und zu entwerfen, noch bevor sie im Labor hergestellt werden. Im Detail haben wir zwei Klassen von neuen Farbpigmenten theoretisch untersucht: (i) rot-gelbe Fluorosulfide Seltener Erden, und (iii) YInMn Blau. Es gelang uns, die Farbe und elektronischen Eigenschaften dieser Pigmentmaterialien, ausgehend von deren Kristallstruktur und Elektronen, zu berechnen. Dies war eine große Herausforderung, da in den gewählten Pigmentmaterialien die Wechselwirkung zwischen den Elektronen besonders stark ist. Die Methoden, die wir hierfür herangezogen und weiter entwickelt haben, sind die dynamische Molekularfeldtheorie (DMFT) und ein spezielles Potential (mBJ) im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie. Die entwickelte Methodik war sehr erfolgreich. Sie ermöglichte nicht nur die Berechnung der Farbe und elektronischen Eigenschaften der Selten-Erd und YInMn Pigmente, sondern konnte zusätzlich auch für weitere Materialien, wie die für magnetische Anwendungen interessanten Mononitride Seltener Erden, angewandt werden.