Wie Nano-Optik schaffen Natur den schillernden Farben


Was haben eine schillernde Schmetterlingsflügel eine schillernde Fischschuppen und eine brillante Pfauenfedern gemein? Ja, sind ihre Farben wunderschön schillernde. Aber sie entstehen auch durch die physikalische Wechselwirkung zwischen Licht und anspruchsvolle nanoskaligen Architektur, die wir gerade erst Anfang zu verstehen sind.

Bild: Wikimedia

Die meisten Kreaturen erhalten ihre Farbe aus Pigmenten und Farbstoffen – Moleküle, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren, reflektieren und andere. Aber es gibt eine weitere Möglichkeit, die Natur Farbe, kocht, durch den Bau von molekularen Landschaften, dass Fang und streuen Licht. Bestimmte Organismen sind die Meister dieser optische Tricks, Herstellung von schillernden Licht-Shows, die den Rest von uns machen tristen vorhalten. Und während Farbpigmente nach Tod, strukturelle Farben zerlegen – aus den gleichen Materialien, aus denen Holz, Krallen oder Insekt Exoskelette gebaut – für Jahrhunderte, Jahrtausende dauern kann.

Gebäude-Farbe

Eine Prisma beschäftigt die gleichen Licht-Biege-Tricks, mit denen einige Kreaturen Farbe zu bauen. Bild: Wikimedia

Alle strukturellen Farben entstehen durch Optik-physikalischen Prozesse, die dazu führen, dass Lichtwellen zu biegen, zu zerstreuen und in spezifischer Weise zu interagieren. Oft beziehen diese Tricks eine Änderung in den Medien. Als sichtbares Licht geht von einer Substanz in eine andere — aus Luft, Wasser, zum Beispiel — andere Komponente Wellen biegen in verschiedenen Winkeln; ein Prozess Physiker Anruf Brechung. Brechung kann dazu führen, dass zwei Lichtwellen ineinander klopfen, erstellen Sie eine größer, heller. Dies nennt man konstruktiven Interferenz, und es ist die Grundlage für die brillantesten Farben in der Natur. In anderen Fällen können Wellen destruktiv, stören, Abbrechen von einander und Produktion von Dunkelheit.

Organismen bauen in der Natur eine Vielzahl von nanoskopische Strukturen zu reflektieren und brechen das Licht auf unterschiedliche Weise. Ein Beugungsgitter ist eine der häufigsten. Dies ist eine Oberfläche mit Rillen, die Licht, oft zwischen zwei verschiedenen Medien, Wechselwirkungen zwischen bestimmten Wellen führen zu biegen. Der Pfau exquisite Schwanzfedern und Butterflys schillernden Flügel Farben sind beide ihre grundlegendsten Ebene Variationen zu diesem Thema.

Interferenz von Licht Wellen, wie sie aus zwei Quellen zu verbreiten. Bild: Wikimedia

Strukturelle Farben besitzen eine andere Qualität, die das Ergebnis der physikalischen Wechselwirkungen anstatt chemische Eigenschaften. Manchmal, die Farbe, die wir wahrnehmen, kommen aus diesen leichten Kammern ändert sich je nach Winkel der Wahrnehmung. Wenn dies geschieht, erzeugt es das Phänomen nennen wir schillern. Diese Qualität findet sich in alles von Ölteppichen, Opale, Austernschalen, und es ist immer gleich blendend.

Schillern, oder Farbe, die eigentlich Struktur ist. Bild: Jeff Kubina

Die erste Farbe-Gebäude Lebensformen stammen wahrscheinlich die kambrische Explosion vor 500 Millionen Jahren. Dieses war eine Periode der schnellen evolutionären Fortschritt, während die Augen von einfachen Lichtsensoren neurologisch anspruchsvolle Organe entwickelt, die Farbe, Schatten und Kontrast erkennen könnte. Biologen glauben, dass die Verbreitung von komplexen Vision ein evolutionäres Wettrüsten zwischen Räuber angepfiffen und Beute Arten, wiederum eine Fülle von bunten Displays ablenken sollen, zu vermeiden oder zu kommunizieren. Strukturelle Farbe hat sich seitdem entwickelt unabhängig viele Male über den Baum des Lebens und ist heute in Pflanzen, Fische, Insekten, Vögel und sogar eine Handvoll von Säugetieren gefunden.

Die berühmten hellen Pfeilgiftfrösche verwenden Farbe Möchtegern Raubtiere abzuwehren. Bild: Wikimedia

Farbe-durch-Struktur ist mehr als nur eine Augenweide. Natur hellsten haben entdeckt, dass optische Tricks viele Vorteile leisten können, von die einige nichts mit Schönheit oder aussehen zu tun haben. Jetzt sind einige dieser Jahrtausende alten bunten Designs eine neue Innovationswelle für biologisch inspirierten Betankung.

Gehen unsichtbar


Wir alle wissen, dass bunte Tracht verwendet werden, kann um einen Partner zu gewinnen, aber ironischerweise es auch Sie schwer machen kann zu erkennen. Dies funktioniert am besten unter Wasser, die gute Nachricht für alle Fische, die möchten nicht zum Mittagessen. Silbrigen Sardinen und Hering, gehören zum Beispiel die glänzendsten Geschöpfe in der Welt, dank Schichten stark reflektierende Guanin Kristalle eingebettet in ihre Hautzellen. Durch das Mischen von zwei Arten von Kristallen, die unterschiedlichen Brechungseigenschaften haben, sicherzustellen, dass diese Fische ein breites Band des einfallenden Licht wird reflektiert, bieten ihnen einen silbrigen Glanz. In klaren, offenen Wasser reflektieren diese Schuppen Licht gleichmäßig von allen Seiten, drehen den Fisch in nahezu perfekter Spiegel.

Sardinen, anspruchsvolle Naturen am Spiegel. Bild: Brian Gratwicke

Allerdings sind die wahren Meister der unterseeischen Unsichtbarkeit, Kopffüßer, Tintenfisch, Tintenfische und Kraken. Bestimmte Arten, wie die Krake Japetella Heathi, bleiben von dieser Umschaltung ihre Tarnung Strategie abhängig von der Helligkeit der Umgebung ständig verdeckt. Wenn Sonnenlicht von oben in Bächen, dringt Licht durch die Haut ungeprüft, Rendern die Tiere durchsichtig. Wenn ihre Welt verdunkelt, dunkelt ihrer Haut angepasst.

Shu Yang, Professor für Materialwissenschaften an der University of Pennsylvania, deren Entwürfe oft von der Natur inspirieren lassen, ist fasziniert von diesem Unterwasser Tarnkappe. Sie erklärte mir wie transparent Kopffüßer tatsächlich enthalten winzige Pigmentzellen in der Haut. Wenn vertraglich, sind diese Pigmente klein genug, dass Licht vergeht. Aber wenn die Krake erstreckt, verlängern die Pigmente in lichtreflektierenden Schilde.

Wenn dieser Mechanismus künstlich repliziert werden konnten, glaubt Yang es Energieeffizienz in Gebäuden revolutionieren könnte. Ein Material, das mehr oder weniger durchsichtig, je nach Intensität des Lichtes wird könnte beispielsweise auf Windows, sodass zusätzliche Sonnenlicht Filtern an kühleren Tagen, während das einfallende Licht zu blockieren, wenn die Temperatur steigt angewendet werden. Ihre Forschungsgruppe arbeitet daran, um das erste synthetische Material zu entwickeln – eine elastische, gummiartige Substanz gefüllt mit Licht-Biege-Nanopartikeln – entwickelt, um genau das zu tun.

Trocken bleiben

Bild: Wikimedia

Einige Farben-Bauherren erhalten haben so viel Bewunderung als die schillernde Schmetterlinge. Diese Insekten Flügel Farben entstehen aus mikroskopischen Skalen, bestehend aus einer oberen und einer unteren Lamina durch Säulen miteinander verknüpft. Eingebettet in diese Skalen sind Melanine-Pigmente, die schwarze und braune Untertönen zu erstellen. Wie Licht innerhalb einer Skala kristalline Struktur streut, produziert es irisierende blau-, grün- und Rottönen. Das Ergebnis ist zum Teil komplexe und vielschichtige Farbdisplays auf der Erde.

REM-Aufnahme eines Schmetterlingsflügels Pfau. Bild: Wikimedia

Aber für die Insekten Skalen dienen einen Zweck weitaus wichtiger als Schönheit: trocken bleiben. Die Oberseite der Flügel Skalen bildet parallele Bergrücken, die im Winkel, ein Nano-Unebenheit schaffend ragen heraus. Wenn diese Flächen auf Wasser trifft, Kugeln und rollt davon. Als er dies tut, nimmt es jeglichen Schmutz, denen es begegnet auf seinem Weg, die Flügel sauber zu halten. Für Schmetterlinge, selbstreinigend und trocknen Mechanismus ist entscheidend – andernfalls würde die zarten Flügel werden Wasser-protokolliert und nutzlos.

Die Flügel sind auch faszinierend, Materialwissenschaftler, als eines der am meisten wasserabweisenden Stoffe auf der Erde. Vor einigen Jahren entwickelt Yangs Gruppe eine Spray-Beschichtung, die das Licht Biege- und Wasser abstoßenden Eigenschaften von Schmetterlingsflügeln imitiert. Wenn das Spray auf eine Oberfläche aufgetragen wird, fügen nanoskopischen Partikeln eine unsichtbare Schicht der Rauheit, dass Ursachen Wassertropfen, buchstäblich Weg die Beine wie Gummibälle. Die Beschichtung Yang sagt, eines Tages verwendet werden sauberer, trockener und effizienter Solarzellen, Gebäude und Displays zu erstellen.



Hochfahren

Bild: Thangaraj Kumaravel

Wir können nicht sprechen über Farbe und evolutionäre Intelligenz ganz zu schweigen von Pflanzen, von die einige schillern verwenden können, um ihre Stromversorgung zu erhöhen. Selaginella Willdenowii ist eine tropische Spike-Moos, deren Blätter einen blau-grünen Schimmer, besitzen wenn es jung im Schatten wachsende oder, verliert aber die Qualität wie es altert oder unterliegt gegen high-Light. Dieses Changieren wird durch Zellen in die Blätter obere Epidermis, die mit Säulen aus Zellulose verpackt und gefüllt mit unterschiedlichen Mengen von Wasser erreicht.

Eine Theorie besagt, dass die Streuung von Licht innerhalb von Cellulosefasern die Anlage mehr langwellige Strahlung der Sonne net erlaubt. Die Pflanze kann "seine schillern in high-Light turn off" durch Ändern des Wassergehalts der Zellwände der Blätter. Das heißt, kann dieses besondere Anzeige der Farbe nichts mit aussehen, und alles, was mit Energie zu tun haben.

Der Jury noch heraus auf diese Pflanze Schimmer hat einen adaptive Vorteil, ob ist einfach ein evolutionäres Nebenprodukt. If, jedoch blau schillernden Blätter — im ganzen Pflanzenreich gefunden – bieten Hinweise hin zu besser solare Effizienz sollten Forscher zur Kenntnis nehmen. Sobald wir die Geheimnisse, die Pflanzen solar Motoren der Welt machen, werden das viel näher wir zu Leben aus der Erde am häufigsten vorkommende freie Energiequelle.

Eine farbenfrohe Zukunft

Bild: Pixabay

Strukturelle Farbe gibt es schon seit Hunderten von Millionen von Jahren, aber es ist nur in den letzten Jahrzehnten, die wir, die Werkzeuge gehabt haben, um in der Welt im Nanobereich und anfangen, es zu verstehen. Wir können Säuglinge noch sein, wenn es um den Aufbau von Farben für uns, aber in der Zukunft, wer weiß, welche Arten von bunten Tech entstehen? Werden irisierend, wasserdichte Haut ein Statussymbol? Werden unsere Stadtansichten heller und dunkler als die Sonne über den Himmel bewegt? Vielleicht für ein hübsches Sümmchen, wir werden sogar in der Lage, eine ehrliche Tarnkappe zu kaufen – und das wird zu einer riesigen Büchse der Pandora öffnen.

Die Zukunft scheint, ist schön und erschreckend.

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