Chrysochroa vittata (links) und Hoplia coerulea (rechts) besitzen natürliche photonische Kristallstrukturen, die das Design der schillernden Materialien der Forscher inspirierten. Bildnachweis: Olivier Deparis et al.

Das Insekt erscheint rot, wenn man den Käfer frontal betrachtet. Von der Seite betrachtet nimmt der Käfer einen grünlichen Farbton an und wird dann in einem Winkel von 80 Grad vollständig grün. Diese Farbänderung wird als Irisieren bezeichnet, und Wissenschaftler machen sich Notizen, um künstlich hergestellte irisierende Materialien zu entwerfen.

Die Forschergruppe der Universität von Namur in Belgien hat kürzlich schillernde Materialien hergestellt, die die Struktur und das Aussehen von zwei Arten von Coleoptera-Käfern sehr gut nachahmen. Durch die Analyse der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen, die das Irisieren verursachen, können die Forscher die von bestimmten Materialstrukturen angezeigten Farben vorhersagen und umgekehrt bestimmen, welche Art von Struktureigenschaften erforderlich sind, um bestimmte Farben anzuzeigen. Mit diesem Verständnis haben sie eine bunte Vielfalt von schillernden Materialien geschaffen.

„Im Zusammenhang mit irisierenden Materialien ist die größte Bedeutung unserer Studie wahrscheinlich die Entdeckung neuer irisierender photonischer Strukturen in der Natur, die uns zur Synthese künstlicher Materialien inspirieren, deren (Nano-) Strukturen derzeit für den Menschen unerreichbar sind Phantasie “, sagt Hauptautor Olivier Deparis gegenüber PhysOrg.com .

In einer kürzlich erschienenen Ausgabe des New Journal of Physics erklären die Wissenschaftler, warum sich die lebendigen Farben je nach Betrachtungswinkel ändern. Die Käfer in der Studie ( Chrysochroa vittata und Hoplia coerulea ) haben Materialschichten mit unterschiedlichen Dicken. Wenn Lichtwellen in unterschiedlichen Tiefen von den verschiedenen Schichten reflektiert werden, interferieren die Lichtwellen. Wenn Sie sich also einen Käfer ansehen, ist die Farbe, die Sie sehen, auf die Reflexionsspitze des Lichts zurückzuführen, die nicht nur von einer Oberfläche, sondern von mehreren Oberflächen zusammen kommt. Wenn Ihr Betrachtungswinkel von frontal zu seitlich zunimmt, verschiebt sich die Reflexionsspitze zu kürzeren Wellenlängen. So wirkt beispielsweise H. coerulea frontal blau, aus größeren Blickwinkeln jedoch violett (kürzere Wellenlängen).

Das Schillern der Natur ist überraschend vielfältig. Beide Käfer - und fast alle irisierenden Tiere - verwenden das gleiche Biomaterial namens „Chitin“, um einen hohen Brechungsindex zu erzielen, und eine Kombination aus Luft oder Wasser für die Komponente mit niedrigem Brechungsindex. Dennoch zeigen keine zwei Arten die gleichen Farben. War diese große Vielfalt ursprünglich eine Überraschung für die Wissenschaftler, so wissen die Forscher jetzt, dass die unterschiedlichen Schichtdicken verschiedener Arten die Farben der Tiere „stimmen“ können, auch wenn die Materialien gleich sind. Wie Deparis erklärt, kann die Vielfalt der Natur Forschern, die die Fähigkeiten künstlicher Materialien erweitern möchten, viele Vorteile bringen.

„Stellen Sie sich ein Diagramm vor, in dem die x-Achse den Grad der Komplexität der Nanostruktur eines schillernden Materials und die y-Achse die Vielfalt der Grundmaterialien darstellt, die zum Aufbau der Nanostruktur verwendet werden“, sagt er. „Natürliche schillernde Materialien zeichnen sich meist durch hochkomplexe Strukturen aus (Ordnung, Unordnung, Hierarchie usw.), setzen jedoch nur wenige Grundmaterialien ein, um diese komplexen Strukturen zu realisieren und / oder während Millionen von Jahren der Anpassung an das sich ändernde Umfeld optimiert. In unserer grafischen Darstellung sind natürlich irisierende Materialien daher auf einen Bereich mit hohen x-Werten (Komplexität) und niedrigen y-Werten (Diversität) beschränkt. “

Andererseits, fährt Deparis fort, sind künstliche Materialien das Gegenteil.

„Künstliche photonische Materialien zeichnen sich aufgrund von Einschränkungen sowohl bei industriellen Herstellungsprozessen als auch bei der menschlichen Vorstellungskraft häufig durch recht einfache Strukturen aus, verwenden jedoch häufig eine große Anzahl von Grundmaterialien - denken Sie beispielsweise an die dotierte Halbleiterindustrie. In unserer grafischen Darstellung sind künstliche irisierende Materialien daher auf einen Bereich mit niedrigen x- und hohen y-Werten beschränkt. Unser bioinspirierter Ansatz, bei dem natürliche Strukturen als Vorlagen für die Gestaltung künstlicher Strukturen verwendet werden, ermöglicht es uns, auf unerforschte Bereiche mit hohen x- und y-Werten abzuzielen, dh neue künstlich irisierende Materialien mit komplexeren nanoskaligen Strukturen zu entwickeln. Strukturen aus Basismaterialien in einem größeren chemischen Zusammensetzungsspektrum. “

Deparis und seine Kollegen verwendeten die Schichten im Nanometerbereich des Käfers als Vorlage, um schillernde Oberflächen aus Titan- und Siliziumoxidschichten zu konstruieren und herzustellen. Es gab zwei Variablen, die die irisierenden Eigenschaften bestimmten: die Periode der alternierenden Schichten und das Schichtdickenverhältnis (eine Schicht ist dicker als die andere). Die Periode bestimmte die dominante Farbe (die dominante reflektierte Wellenlänge) beim direkten Einfall. Das Schichtdickenverhältnis bestimmte maßgeblich, was die Wissenschaftler als "spektrale Fülle" bezeichnen. In diesem Ausmaß ändern sich die Farben (oder die Wellenlänge verschiebt sich), wenn der Betrachtungswinkel zunimmt.

Basierend auf diesem Verständnis entwickelten die Wissenschaftler irisierende Materialien, die genau die Exokutikelfärbung des Käfers imitieren. Insbesondere hat C. vittata (der Rot-Grün-Käfer) eine Schichtperiode von etwa 200 Nanometern, was seiner rot dominierenden Farbe entspricht. Es hat auch ein kleines Schichtdickenverhältnis, das eine ziemlich große Wellenlängenverschiebung von etwa 110 Nanometern verursacht, wenn der Betrachtungswinkel von 20 auf 60 Grad zunimmt. H. coerulea (der blau-violette Käfer) hat eine Schichtdauer von ca. 100 Nanometern, entsprechend seiner blau dominierenden Farbe. Sein Schichtdickenverhältnis ist größer als C. vittata und verursacht bei gleichen Betrachtungswinkeln eine relativ kleine Wellenlängenverschiebung von etwa 20 Nanometern.

„Im Fall der vorliegenden Studie wird dieser Ansatz durch die Tatsache veranschaulicht, dass wir zwei Materialien verwendet haben, die aus einer Vielzahl verfügbarer Oxide ausgewählt wurden, um unter Ausnutzung der Komplexität sehr unterschiedliche irisierende Aspekte zu erzeugen“, sagt Deparis. "Hier wurde die Komplexität eingeführt, indem die Dicken beider Schichten als freie und unabhängige Parameter betrachtet wurden, was bei der Konstruktion von Standard-Mehrschicht-Bragg-Reflektoren normalerweise nicht der Fall ist."

Die Gruppe entwickelte auch ein Modell, das das Reflexionsspektrum eines irisierenden Materials bei jedem Betrachtungswinkel vorhersagen kann. Durch die Abstimmung der Schichtdicken können die Forscher nun eine Vielzahl von schillernden Materialien mit lebendigen, wechselnden Farben herstellen. Schillernde Materialien könnten in verschiedenen Industriebereichen auf großflächigen Flächen Verwendung finden, was eine technische Herausforderung darstellen würde. Eine weitere Herausforderung, so die Forscher, könnte die Abscheidung dieser Mehrschichtfolien auf unterschiedlichen Substraten wie flexiblen Polymerfolien oder gekrümmten Objekten sein.

"Mögliche Anwendungen von irisierenden Materialien sind vor allem Kunst (warum nicht irisierende Skulpturen!)", Sagt Deparis Lösungsmittel), ophtalmische Gläser (hier können Beschichtungen interessant sein, bei denen sich die Farbe mit dem Betrachtungswinkel fast nicht ändert, ähnlich wie bei Hoplia coerula ). “

Weitere Informationen: Deparis, Olivier, Rassart, Marie, Vandenbem, Cédric, Welch, Victoria, Vigneron, Jean Pol und Lucas, Stéphane. „Strukturell abgestimmte schillernde Oberflächen, inspiriert von der Natur.“ New Journal of Physics 10 (2008) 013032.

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