Elektrotropie

Transparenter, doppelbrechender Calcit-Einkristall

Transparenz (von lateinisch trans „(hin)durch“ und parere „sich zeigen, scheinen“) ist in der Physik die Fähigkeit von Materie, elektromagnetische Wellen hindurchzulassen (Transmission). Im Alltag wird der Begriff meist auf Licht, also auf den für den Menschen sichtbare Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung, bezogen.

In Anlehnung daran unterscheidet man auch in der Seegangshydrodynamik bzw. Offshoretechnik zwischen hydrodynamisch transparenten Konstruktionen, die Oberflächenwellen durchlassen, und hydrodynamisch kompakten Konstruktionen, die Oberflächenwellen reflektieren.

Grundlagen und Begriffsklärung

Transparenz: Kontaktlinsen aus Kunststoff, Petrischale aus Glas, und Luft

Transparenz ist eine optische Eigenschaft eines Materials; andere optische Eigenschaften sind beispielsweise die Reflektivität und Absorptionsvermögen. Die optische Eigenschaften von Materialien hängen eng mit den elektrischen Eigenschaften eines Materials zusammen, beispielsweise das Vorhandensein freier Elektronen oder der Bandstruktur.

Im Allgemeinen wird ein Material transparent oder durchsichtig genannt, wenn man Dahinterliegendes relativ klar erkennen kann – beispielsweise Fensterglas. Dabei kann elektromagnetische Strahlung (Photonen) das Material nahezu vollständig durchdringen, also wenn es nicht absorbiert oder schon an der Grenzfläche stark reflektiert wird.

Einfallende Photonen wechselwirken je nach Energie mit unterschiedlichen Bestandteilen des Materials, somit ist die Transparenz eines Materials abhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle. Materialien die undurchsichtig für Licht sind, können transparent für andere Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums sein (z. B. Röntgenstrahlen). Im Bereich der Infrarotstrahlung befinden sich beispielsweise die Schwingungsenergien von Molekülen beziehungsweise Molekülgruppen oder auch der freien Elektronen im Elektronengas von Metallen. Im sichtbaren Bereich liegt die Energien der Photonen im Bereich der Bindungsenergie der Valenzelektronen, diese können durch Absorption eines Photons in das Leitungsband angeregt werden. Das beteiligte Photon wird dabei vollständig „ausgelöscht“. Wird ein Großteil der Photonen absorbiert ist ein Material undurchsichtig (nachfolgende Effekte wie Rekombination werden hier erstmal vernachlässigt). Die Bandstruktur des Materials ist somit (unter anderem) entscheidend für seine Transparenz.

Wichtig bei der Absorption von Photonen ist, dass diese nur in bestimmten „Energieportionen“ (Quant) erfolgt. Das heißt, nur Photonen einer bestimmten Energie können so absorbiert werden, Photonen mit höherer oder niedriger Energie bleiben unbeeinflusst. Isolator-Materialien wie Glas sind meist transparent, da ihre Bandlücke größer als die Photonenenergie für sichtbares Licht ist. Diese Photonen können daher nicht durch Valenzelektronen absorbiert werden. Die Ursache dafür liegt in der Bandstruktur des Materials, die beispielsweise durch den Abstand der Atome zueinander beeinflusst wird. Dass bei Glas die Valenzelektronen nicht in das Leitungsband angeregt und somit nicht für den Ladungstransport zur Verfügung stehen, bewirkt weiterhin, dass Glas nicht elektrisch leitfähig ist. Bei Halbleitern, die eine geringere Bandlückenenergie besitzen, werden hingegen Photonen höherer Energie (blaues Licht) absorbiert. Vom optischen Gesamteindruck sind diese Materialien daher nicht transparent, auch wenn sie beispielsweise für rotes Licht gesehen, transparent sind. Aus der reinen spektralen Transparenz kann jedoch der Farbeindruck nicht direkt abgeleitet werden.

Bloße Lichtdurchlässigkeit wie etwa bei Milchglas, ist im Allgemeinen nicht Ausschlag entscheidend, um als transparent bezeichnet zu werden. Bei Milchglas wird das Licht durch eine raue Oberfläche oder durch Teilchen im Material gestreut. Das dabei durchgelassene Licht wird als diffuses Licht bezeichnet, da keine scharfe Abbildung dahinterligender Objekte erfolgt. Sind nur dunklere und hellere Bereiche sichtbar spricht man von Transluzenz. Von Opazität spricht man bei schwach lichtdurchlässigen Materialien, so sind z. B. Wolken opak. Tiefenlicht ist eine nur oberflächliche Transluzenz.

Vorkommen

Transparenz ist meist bei gasförmigen Materialien gegeben (z. B. Luft), aber auch bei manchen flüssigen und festen Stoffen (z. B. klares Wasser, gewöhnliches Glas und einige Kunststoffe). Falls der Grad der Transparenz von der Wellenlänge des Lichtes abhängt, dann ist das transparente Medium getönt. Das kann an bestimmten Metalloxid-Molekülen im Glas liegen oder (größeren) farbigen Partikeln, wie in farbigem Rauch. Sind viele dieser farbigen Partikel vorhanden, wird das Gas, die Flüssigkeit oder der Festkörper undurchsichtig, z. B. dichter Rauch.

Bedingt transparente Materie

Bedingte Durchsichtigkeiten sind die Phototropie und Elektrotropie.

Phototropie

Phototropes Glas ist transparentes Glas, das auf Licht reagiert. Die Phototropie basiert auf einer reversiblen Transformation eingelagerter silberhalogenidhaltiger Ausscheidungen. Bei dem Vorgang wird das Glas eingefärbt. Je nach Halogenidart im Glas können verschiedene Farben erzeugt werden. Braune oder graue phototrope Gläser werden für die Herstellung von Sonnenbrillen verwendet, die bei großer Helligkeit von allein (rasch) dunkler und bei nachlassender Helligkeit (langsamer) wieder durchsichtiger werden. Der Geschwindigkeitsunterschied beruht darauf, dass sich ein Gleichgewicht zweier gegenläufiger Reaktionen einstellt: Das Dunkelwerden verläuft in einer Reaktion 0. Ordnung (jedes einfallende, in der Wellenlänge geeignete Lichtquant bewirkt eine Molekülumwandlung). Dagegen ist der umgekehrte Prozess eine von der Temperatur abhängige Reaktion 1. Ordnung, die nach einer e-Funktion abläuft (in gleichen Zeiten reagieren gleiche Anteile, vgl. Halbwertszeit). Diese Eigenschaften haben zur Folge, dass sich solche Brillen für das Autofahren nicht so gut eignen, wenn die Helligkeit in schneller Folge wechselt, bei einer Tunneleinfahrt bleibt die Brille (zu) lange dunkel. Bei großer Kälte und großer Helligkeit – im Winter bei Schnee – ist die Brille schwarz; langsam klar wird sie bei Dunkelheit, schnell geht das unter warmem Wasser.

Phototropie spielt auch eine Rolle bei der Photosynthese.

Elektrotropie

Elektrotropes Glas ist transparentes Glas, das per Knopfdruck blickdicht gemacht werden kann. Dies geschieht mit Hilfe von Flüssigkristallen, die entweder transparent oder undurchsichtig sein können, je nachdem ob eine elektrische Spannung angelegt wurde oder nicht. Anwendungsbeispiele sind Glastrennwände in Limousinen und die Trennscheiben zwischen Führerstand und Panoramaabteil („Lounge“) in den Endwagen des ICE 3 und ICE T.