: Proteinreiche Beleuchtung – LEDs von morgen

18.10.2015 – LEDs sind bis zu 80 Prozent energieeffizienter als Glühbirnen und halten etwa fünf Mal so lang wie Energiesparlampen. Doch noch besteht Optimierungsbedarf bei weißen LEDs, denn bisherige Herstellungsverfahren kosten entweder sehr viel oder drücken die Lebensdauer der LEDs. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben jetzt eine neue Methode entwickelt und sind dabei ungewöhnliche Wege gegangen: Ihre LEDs bestehen zum Teil aus fluoreszierenden Proteinen.

Ob als Raum- oder Straßenbeleuchtung, in Ampeln oder in Bildschirmen: LEDs sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Eine lange Lebensdauer, hohe Energieeffizienz, Umweltfreundlichkeit sowie der geringe Wartungsaufwand sind dabei nur einige Vorteile dieser Technologie. Die Herstellung weißer Leuchtdioden ist jedoch kompliziert.

Die Mischung macht´s

Um Weißlicht mit LEDs zu erzeugen, gibt es zwei Verfahren, die beide Nachteile haben: Bei der ersten Methode werden dünne Schichten aus anorganischen Materialien wie Phosphor oder Seltenen Erden auf eine blaue LED aufgetragen. Diese verfügen über eine lange Lebensdauer und emittieren Licht in optimaler Stärke. Doch durch die Seltenen Erden und das aufwändige Herstellungsverfahren sind die Fabrikationskosten extrem hoch und nicht nachhaltig. Alternativ werden Organische LEDs eingesetzt, bei denen mehrere organische Halbleiterschichten einem Sandwich gleich zwischen zwei Elektroden aufgebracht werden. Diese erreichen jedoch eine geringere Leistung sowie Lebensdauer als ihre anorganischen Pendants. Optimal wäre daher ein Mix dieser beiden Varianten, die die Vorteile beider Methoden vereint.

Genau solch ein Mix ist FAU-Wissenschaftlern nun gelungen – mit Hilfe von fluoreszierenden Proteinen, die in einem gummiartigen Material eingebettet auf eine LED aufgebracht werden. Um die neuartigen LEDs herzustellen, haben sich Dr. Rubén D. Costa vom Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ der FAU und sein Kollege Prof. Dr. Uwe Sonnewald vom Emerging Field Projekt „Synthetic Biology“ der FAU zusammengeschlossen.

Proteine im Gel-Bett

„Die fluoreszierenden Proteine vereinen die gewünschten Eigenschaften“, erklärt Dr. Rubén D. Costa. „Sie sind umweltfreundlich und kostengünstig in der Herstellung. Zudem lässt sich durch die Proteine leicht die Farbeinstellung – ob farbig oder weiß – steuern.“ Einen Haken gibt es jedoch: Die Proteine sind nur in einer wässrigen Pufferlösung stabil, so dass Standard-Beschichtungsverfahren nicht angewendet werden können. Zudem mussten die Wissenschaftler sicherstellen, dass die Proteine unter unterschiedlichsten Umweltbedingungen, wie beispielsweise hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit, stabil arbeiten.

Ihre Lösung: Die FAU-Forscher entwickelten eine neue Technik zur Beschichtung. Sie betteten die Proteine in ein Gel ein, das aus einer konzentrierten wässrigen Protein-Lösung sowie einer Polymermischung besteht. Die Polymerstoffe verbinden dabei die wässrige Protein-Lösung zu einem gelartigen Netzwerk und sorgen dafür, dass die benötigte Feuchtigkeit gespeichert bleibt. Durch Vakuumtrocknung verwandelt sich das Gel in ein gummiartiges Material, das sich für die mehrlagige Beschichtung der LEDs eignet – und die Proteine vor äußeren Einflüssen schützt.

„Mit unserer Methode haben wir es geschafft, langlebige und effiziente weiße LEDs umweltfreundlich und kostengünstig herzustellen. Das ist für zukünftige Generationen von LEDs wegweisend“, freut sich Costa.

Wissenschaftliche Exzellenz

Am Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ der FAU erforschen und entwickeln 200 Wissenschaftler neuartige Materialien. In über 90 Projekten arbeiten die Forscher aus neun Disziplinen (Angewandte Mathematik, Chemie- und Bioingenieurwesen, Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Medizin, Maschinenbau, Physik und Werkstoffwissenschaften) entlang der Prozesskette vom Molekül bis zum Material zusammen.

Die Emerging Fields Initiative hat die FAU im Jahr 2010 ins Leben gerufen, um neuartige und möglichst interdisziplinär angelegte Forschungsprojekte mit hohem Entwicklungs- und Erfolgspotential frühzeitig zu erkennen und zu fördern. FAU/Rebecca Raspe