Schimmernder Halo

  • 18. October 2017

Farben ungeordneter Nanostrukturen locken Insekten.

Ganz ohne chemische Pigmente können periodisch aufgebaute Nano­struk­turen schillernde Farb­effekte erzeugen. Diese Struktur­farben finden sich etwa bei Schmetter­lingen oder Pfauen­federn. Doch auch Blüten beherr­schen das farben­frohe Wechsel­spiel aus gestreuten, gebeugten und inter­ferie­renden Licht­wellen. Eine inter­diszi­plinäre Forscher­gruppe an der Univer­sity of Cambridge in Groß­britannien analy­sierte dieses Kunst­stück der Natur jetzt detail­lierter und ent­deckte einen bisher unbe­kannten Halo-Effekt. Diesen imi­tierten sie mit künst­lichen Blüten und über­prüften das Lock­poten­zial des gestreuten Lichts mit lebenden Hummeln, die wie Honigbienen als wichtige Bestäuber gelten.

Hummel an küsntlicher Blüte

Abb.: Eine Hummel wird von einer künst­lichen, nano­struk­tu­rierten Blüte ange­lockt, die blaues und ultra­violettes Licht in einem Halo streut. (Bild: E. Moyroud, U. Cambridge)

An streng periodischen Strukturen mit Dimensionen unterhalb eines Mikro­meters bricht und inter­feriert Sonnen­licht. Schil­lernde, irisie­rende Farben – bevor­zugt im blauen und ultra­violetten Spektral­bereich – sind die Folge. Doch auch wenn die Nano­struk­turen einen gewissen Grad an Unord­nung – variable Abstände und Aus­deh­nungen – auf­weisen, ist ein ver­blüf­fender optischer Effekt erkenn­bar: Blaues und violettes Licht werden in Form eines Halo reflek­tiert, der unter einem engen Winkel­bereich sicht­bar wird. „In der Natur sind solche Struk­turen nicht perfekt perio­disch, sondern leicht unge­ordnet“, sagt Tobias Wenzel von der Univer­sity of Cambridge. „Wir zeigen erst­mals, dass diese Unord­nung kein Nach­teil sein muss, sondern bis­her unbe­kannte, optische Funktio­nali­täten hervor­bringen kann.“

Gemeinsam mit seinen Kollegen analysierte Wenzel zuerst die Ober­flächen eines guten Dutzends ver­schie­dener Blüten mit einem Elek­tronen­mikro­skop. Bei fast allen Blüten ent­deckten sie fili­grane Rillen­struk­turen mit Dimen­sionen von einigen hundert Nano­metern. Obwohl diese Struk­turen selten eine strenge Perio­di­zität auf­weisen und in Breite und Abstand vari­ieren, können sie ein­fal­lendes Sonnen­licht auf ver­blüf­fende Weise reflek­tieren. So werden bevor­zugt blaue und ultra­violette Licht­wellen gebrochen und gestreut, wobei Streu­licht in Form eines Halos emit­tiert wird. Der Halo ist meist nur unter einem Blick­winkel von bis zu 25 Grad sicht­bar.

Blüte

Abb.: Viele Blüten reflek­tieren über teils unge­ord­nete Nano­struk­turen blaues und ultra­violettes Licht, um damit Bienen und Hummeln an­zu­locken. (Bild: E. Moyroud, U. Cambridge)

Dieses Streulicht könnte für das Anlocken von bestäu­benden Bienen oder Hummeln von großer Bedeu­tung sein. Denn die Insekten sind dazu fähig, mit ihren Seh­zellen blaues und ultra­violettes Licht zu erkennen. Jedoch bilden Blüten­pflanzen selbst nur sehr selten blaue Farb­pig­mente. Um dennoch dieses zum Anlocken von Insekten wichtige Licht aus­senden zu können, nutzen die Pflanzen den photo­nischen Effekt der Nano­struk­turen. Um die Funktion des Effekts zu belegen, fertigten Wenzel und Kollegen mit der Elek­tronen­strahl­litho­graphie Muster für künst­liche Blüten aus einem dünnen Kunst­stoff­film aus Poly­methyl­meth­acrylat nach dem Vor­bild einer Hibiscus­blüte. Diese Strukturen übertrugen sie danach auf auf Schichten aus Epoxidharz. Bewusst erzeugten sie dabei eine eben­falls mehr oder weniger geord­nete Rillen­struktur an der Ober­fläche.

In weiteren systematischen Verhaltensexperimenten beobachteten die Forscher, wie Hummeln auf diese künst­lichen Blüten rea­gierten. Die Blüten färbten sie zum einen in ver­schie­denen Farben ein – gelb, schwarz, blau –, ließen einige Ober­flächen eben und prägten in andere Kunst­blüten eine etwas unge­ord­nete Nano­struktur. Nach einigen ver­glei­chenden Ver­suchen bestä­tigte sich, dass die Hummeln von Blüten mit einem Halo-Effekt eher ange­lockt wurden als von selbst gleich­farbigen Kunst­blüten ohne blau-ultra­violettes Streu­licht. Ledig­lich bei blau ein­ge­färbten Blüten war erwar­tungs­gemäß kein Unter­schied in der Attrak­ti­vität für Hummeln nach­weis­bar. „Blau und Ultra­violett sind wichtige Signal­farben für Bienen, aber viele Pflanzen können diese Farben chemisch nicht her­stellen“, sagt Wenzel. „Doch die teils unge­ord­nete Nano­struktur könnte Pflanzen helfen, dieses gene­tische Hinder­nis zu über­winden.“

Insgesamt führte dieser bionische Ansatz zur Entdeckung eines neuen Farb­gebungs-Mecha­nismus. Wenzel ist davon über­zeugt, dass sie aus tech­nischer Sicht vermut­lich nie auf den Effekt gestoßen wären, weil er einer geringen, aber opti­mierten Unord­nung basiert. Weitere Experi­mente mit genetisch verän­derten Blüten­pflanzen sind geplant, um die aus­schließ­lich auf der Ober­flächen­struktur basie­renden photo­nischen Effekte weiter zu unter­suchen. „Vielleicht könnten die Popula­tionen von bestäu­benden Insekten mit bionischen, synthe­tischen Ober­flächen oder aus­ge­suchten Blüten­pflanzen mit einem starken Halo-Effekt besser genutzt werden“, schreibt Dimitri Deheyn von der Univer­sity of Cali­fornia in San Diego in einem beglei­tenden Kommentar.

Jan Oliver Löfken

RK

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