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Themenfeld Optische Technologien

Das Themenfeld "Optische Technologien" adressiert neue Lichtquellen, photonische Materialien und mikro-/nanooptische Strukturen inspiriert durch die Natur und deren Nutzung in modernen technologischen Komponenten und Systemen, sowie Herstellungsmethoden und messtechnische Analyseverfahren zu deren Charakterisierung.

Nachhaltigkeit bei Werkstoffen und Herstellungsprozessen

Im Laufe von Jahrmillionen haben lebende Organismen komplexe, dreidimensionale Strukturen evolviert und optimiert, die aufgrund ihrer Dimensionen geeignet sind, mit dem Sonnenlicht zu interagieren und dieses zu manipulieren, um so überlebenswichtige Effekte wie Signalgebung, Tarnung oder Warnung zu erzielen. Diese biologischen photonischen Strukturen zeigen hochgradig angepasste und effiziente photonische Eigenschaften, die oft mit herkömmlichen synthetischen Materialien und Strukturen nicht erreicht werden können. Dadurch eignen sie sich hervorragend als Vorbilder für Design und Entwicklung verbesserter oder neuer optischer Materialien. Der Schlüssel zur Nutzung biologischer photonischer Strukturen als Inspiration für technische Anwendungen ist die umfassende Beschreibung und das Verständnis der von der Natur gebauten Geometrien und ihrer optischen Eigenschaften.

Mikro- und nanooptische Oberflächenstrukturen haben sich in abbildenden, beleuchtenden und spektral analysierenden Optiksystemen als innovative Technologie herausgestellt. Hier werden kombinierten Funktionalitäten generiert oder sogar einzelne Funktionalitäten, die rein klassisch überhaupt nicht erzielt werden können. Darüber hinaus können Werkstoffe und Bauraum eingespart werden. Dabei tragen die biomimetischen Ansätze zu einer nachhaltigen Technologieentwicklung bei.

Zudem haben sich Halbleiterlichtquellen in vielen Bereichen der Beleuchtungstechnik durchgesetzt. Dies liegt vor allem an der Langlebigkeit und der hohen Effizienz dieser Leuchtmittel. Dennoch bedarf es weiterer Anstrengungen, um über die Lichtquelle hinaus nachhaltige Beleuchtungslösungen zu schaffen. Dies ist vor allem in Verbindung mit den verwendeten Materialien zu sehen: Diese dürfen der Lichtquelle in Bezug auf die Langlebigkeit nicht nachstehen, zusätzlich ist es erforderlich, dass die benötigten Rohstoffe nicht verknappen und schließlich sollte eine Wiederverwertung oder problemfreie Entsorgung gewährleistet sein. Insbesondere die Anwendung biobasierter und möglicherweise gleichzeitig biologisch abbaubarer Hochleistungskunststoffe kann in diesem Zusammenhang eine neue und attraktive Materialalternative zu konventionellen Kunststoffen sein.

Die Entwicklung von Lichtquellen und -detektoren sowie mikro-/nanooptischer Strukturen kann ohne eine ausführliche Charakterisierung nicht betrieben werden. Gerade in Bezug auf Nachhaltigkeit und ressourcenschonenden Umgang müssen die Bauelemente bis in den kleinsten Strukturbereich möglichst belastbar und effizient sein. Der Nachweis erfolgt. u.a. mit verschiedenen Methoden der Mikro- und Nanocharakterisierung. Im Zuge der Entwicklung müssen folglich auch die Mikroskopie- und Präparationstechniken für eine umfassende Untersuchung adaptiert werden. Die etablierten Methoden der Lichtmikroskopie, der Elektronenmikroskopie sowie der Rastersondenmikroskopie (AFM) werden abhängig von der Applikation weiterentwickelt und korrelativ miteinander verknüpft, um Zusammenhänge zwischen optischer Funktion und Mikrostruktur der untersuchten Bauelemente sichtbar zu machen und eine umfassende Charakterisierung über mehrere Größenordnungen ermöglichen.
Das Themenfeld "Optische Technologien" trägt daher zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in zahlreichen Anwendungen der modernen Optik bei, da Energieverbrauch und Ressourcen geschont werden. Es werden Werkstoffe und Herstellungsprozesse entwickelt, die darüber hinaus auch die Umwelt deutlich weniger belasten.

Einfluss auf das Wohlbefinden

Optische Technologien haben einen wesentlichen Einfluss auf das Wohlbefinden. Sowohl in direkter Weise in Beleuchtungsanwendungen und dort verwendeter Materialien als auch indirekt durch Generierung neuer optikbasierter Verfahren und Komponenten für medizinische Geräte, in der modernen Agrarwirtschaft und im Umweltmonitoring. Mikro- und nanooptische Komponenten stellen hierfür eine höhere Designfreiheit und Funktionalität in den dazu notwendigen optischen Systemen bereit. Die verwendeten Lichtquellen spielen ebenfalls eine wesentliche Rolle.

Alle lebenden Organismen, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, müssen sich den potenziell negativen Auswirkungen der UV-A- und UV-B-Anteile des Sonnenstrahlungsspektrums stellen. Daher hat das Leben eine große Anzahl von Strategien entwickelt, um mit diesem Problem fertig zu werden. Evolutionäre Anpassung erzeugt diese Schutzfunktion unter anderem durch Nanostrukturierung der Körperoberfläche. Das Verständnis der Bildung und Funktion dieser Strukturen und deren Inkorporierung in synthetische Materialien könnten in vielen Fällen dazu beitragen, herkömmlichen UV-Schutz durch chemische Substanzen durch effizienten, strukturbasierten UV-Schutz zu ersetzen.

Weitere wesentliche Faktoren in beleuchtenden Systemen sind genügende Helligkeit, die richtige Farbtemperatur, gute Farbwiedergabe, Flimmer- und Blendfreiheit. Aber auch eine Anpassung der Beleuchtungsparameter an spezielle Bedürfnisse, wie das Alter, den circadianen Rhythmus oder bestimmte Erkrankungen kann eine wichtige Rolle spielen. Herausforderungen liegen hier vor allem in der sicheren und reproduzierbaren messtechnischen Erfassung der relevanten Größen und ebenso in der Beurteilung der verwendeten Materialsysteme im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.

Labore im Themenfeld Optische Technologien

veemotion / hshl
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