Schmetterlingsflügel: Vorbild für effektivere Solarzellen und Kosmetika
Farben werden nicht allein durch Pigmente erzeugt. In einigen Fällen arbeitet die Natur mit physikalischen Tricks, um eine besondere Farbenpracht hervorzubringen.
Metallisch schillernde Regenbogenfarben, wie man sie auf der Haut von Seifenblasen oder auf Ölflecken beobachten kann, werden durch Lichtbrechung und Interferenzen erzeugt. Dieses optische Phänomen nennt man irisieren. Der Begriff leitete sich von dem griechischen Wort für „Iris“ ab und wird gleichbedeutend mit „Regenbogen“ verwendet.
Physik des Farbspiels auf Seifenblasen
Durch Brechungs- und Interferenzerscheinungen des Lichts an der Oberfläche einer Seifenblase entstehen die Farben des Regenbogens. Dabei hängen die Farben vom jeweiligen Betrachtungswinkel ab. Das Ganze funktioniert in diesem Fall nicht durch die Aufspaltung des weißen Lichts, wie beim echten Regenbogen, sondern durch Interferenzen. So wird ein Teil des Lichts beim Auftreffen auf die Seifenblase reflektiert, während ein weiterer Lichtteil in die Seifenschicht eindringt und von der Rückseite zurückgeworfen wird. Die beiden reflektierten Lichtwellen überlagern sich dann, sind jedoch Phasenverschoben. Treffen zwei Wellenberge aufeinander, so addieren sie sich, während zwei Wellentäler sich gegenseitig auslöschen. Da das Licht aus Wellen verschiedener Wellenlängen besteht, werden beispielsweise blaue und rote Wellenlängen unterschiedlich verschoben. So kann das blaue Licht verstärkt werden, während das rote Licht verschluckt wird. Einen zusätzlichen Einfluss auf das Farbenspiel hat die Dicke der Seifenblasenhaut. An dickeren Stellen, legt das Licht einen weiteren Weg durch die Seifenhaut zurück, bevor es zurückgeworfen wird, was sich auf die Phasenverschiebung auswirkt.
Der optische Trick bei Pfauenfedern und Schmetterlingsflügeln
Diesen physikalischen Farbeffekt nutzt die Natur auch zur Färbung von Schmetterlingsflügeln, Insektenpanzern oder Pfauenfedern. Das bekannte Pfauenauge entsteht ohne Pigmente allein durch Mikrostrukturen. Auf der Oberfläche der Pfauenfedern befinden sich kleine Widerhaken. Auf ihnen sitzen zweidimensionale kristalline Strukturen aus Malanin-Stäbchen, die eine regelmäßige Gitterstruktur bilden. Die Gittermuster streuen das auftreffende Licht in unterschiedlicher Weise, so dass die schillernden Farben entstehen. Den gleichen Trick verwenden auch Schmetterlinge für ihre farbenprächtigen Flügel. Bei den Nanostrukturen auf den Oberflächen von Federn und Flügeln spricht man auch von optisch aktiven Strukturen oder von photonischen Kristallen.
Photonische Strukturen
Photonische Kristalle sind periodische Strukturen, die das auftreffende Licht durch Beugungs- und Interferenzerscheinungen beeinflussen. Photonische Kristalle müssen allerdings nicht zwingend kristallin sein. Man findet diesen Effekt in der Natur auch beim Opal, einem amorphen Glas. Der Opal verfügt über eine ungeordnete, unregelmäßige Struktur sowie den daraus resultierenden charakteristischen schillernden, metallischen Glanz.
Anwendungsmöglichkeiten der biologischen Nanostrukturen
Den Schmetterlingsflügel nachempfundene Beschichtungen sollen die Lichtabsorption von Solarzellen in Zukunft erheblich verstärken. Auch die Kosmetikindustrie experimentiert mit dieser Erfindung der Natur. So arbeiten Forscher an pigmentfreien Kosmetika nach dem Schmetterlingsprinzip. Das High-Tech-Make-up schillert in Regenbogenfarben. Dazu bauen die Forscher photonische Kristalle in die Kosmetikprodukte ein. Dies geschieht über dünne Folien, bei denen sich Metalloxidschichten mit Glimmerlagen abwechseln. Die Folie wird dann in winzige Brocken zerstückelt und dem Grundstoff für Lippenstifte, Lidschatten und Nagellacke zugegeben. Allerdings entfalten die pigmentfreien Make-ups ihre Farbenpracht nur bei hellem Tageslicht. Zudem sind alle Produkte weiß. Denn erst nach dem Auftragen ist der Effekt sichtbar. Denkbar sind weiterhin pigmentfreie Druckfarben.
Quellen:
- Scinexx: Seifenblasen und Ölpfützen – das Geheimnis der Interferenz, 6.7.2003
- Farbimpulse.de: Schmetterlingsflügel für die Lippen, 28.09.2005
- pro-phyisk.de: Photonische Kristalle - Optische Materialien für das 21. Jahrhundert, 01. Juli 2003