Farbstoffe sind organische oder seltener anorganische Moleküle, die sichtbares Licht selektiv absorbieren und dadurch Farbe erzeugen. In der Werkstoffforschung werden sie sowohl als funktionale Komponenten (z.B. in Farbstoffsolarzellen) als auch als Sonden zur Charakterisierung von Strukturen, Phasen und Grenzflächen eingesetzt.

Die optischen Eigenschaften von Farbstoffen beruhen auf delokalisierten π-Elektronensystemen, deren energetische Niveaus durch chemische Substituenten und die molekulare Konjugationslänge fein einstellbar sind. Dies erlaubt eine gezielte Anpassung von Absorptions- und Emissionswellenlängen an spezifische Anwendungen, etwa in der Spektroskopie oder optischen Datenverarbeitung.

Solvatochrome Farbstoffe ändern ihre spektralen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Polarität oder spezifischen Wechselwirkungen der Umgebung. Sie dienen in der Werkstofftechnik als empfindliche Sonden für lokale Mikroumgebungen, etwa zur Analyse von Polymermorphologie, Glasübergang oder Grenzflächen in Verbundwerkstoffen.

Fluoreszierende Farbstoffe emittieren nach Anregung Licht mit längerer Wellenlänge. Sie werden für konfokale und Superauflösungsmikroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und als Marker in Diffusions- und Transportstudien in Polymeren, Porenwerkstoffen oder biologisch inspirierten Materialien genutzt. Ihre Quantenausbeute, Photostabilität und Neigung zum Photobleichen sind dabei zentrale Kenngrößen.

Für den werkstofftechnischen Einsatz sind zusätzlich chemische und thermische Stabilität, Kompatibilität mit der Matrix, Aggregationsverhalten sowie mögliche Wechselwirkungen mit der Mikrostruktur entscheidend. Moderne Entwicklungen umfassen schaltbare und stimuliresponsive Farbstoffe für sensorische Schichten, selbstheilende Beschichtungen und optisch adressierbare funktionale Materialien.