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Zur Galerie Strukturfarben: Die Geheimnisse der tierischen Farbenpracht
Gläzender Käfer auf einem Blatt
Lebende Juwele und künstliche Opale
Der "Juwelkäfer" Chrysochroa saundersii changiert dank dünner, übereinandergestapelter Chitinschichten. Das Farbspiel resultiert daraus, dass je nach Winkel des einfallenden und zurückgeworfenen Lichts unterschiedliche Wellenlängen verstärkt werden. Der Mensch kopiert den Effekt etwa mit winzigen Partikeln in Nagel- und Autolacken. Nicolas Vogels Team stellt unter anderem künstliche Opale her. So filigrane Strukturen wie die Natur könne er im Labor nicht schaffen, sagt Vogel. "Also konzentrieren wir uns auf die Essenz: eine geordnete Struktur, in der sich zwei Materialien abwechseln." Der Professor arbeitet dazu etwa mit winzigen Silikat-Kügelchen, die sich in Schichten anordnen wie zu einer Pyramide gestapelte Orangen. Für alle, die mehr zum Thema Farben wissen wollen, bietet sein Team auch Erklär- und Mitmachvideos für Eltern, Kinder und Lehrkräfte.
© Cheattha / Adobe Stock
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In der Haut von Chamäleons stecken nicht nur Farbpigmente, sondern auch Zellen voller winziger Kristalle, die in einer Gitterstruktur angeordnet sind. Wechselt das Chamäleon seine Farbe, verändert es den Abstand zwischen den Kristallen – und damit die Wellenlänge des Lichts, die bevorzugt zurückgeworfen wird. Im entspannten Zustand stehen die Kristalle eng beisammen und reflektieren kurzwelliges, blaues Licht. Gerät das Chamäleon in Aufregung, rücken sie auseinander und lassen die Haut rötlich erscheinen.
Durch die beweglichen Kristalle erzeugt das Chamäleon sogenannte Strukturfarben. Sie entstehen, wenn Lichtwellen auf eine Schicht treffen, die sie nach einem bestimmten Muster beugt, streut, zurückwirft. Überlagern sich dabei Wellen gleicher Frequenz, können sie sich verstärken – so, als würden zwei Trampolinspringer einander in ungeahnte Höhen katapultieren. Dann tritt die verstärkte Farbe strahlend hervor. Selbst durchsichtige Materialien können auf diese Weise bunt erscheinen. Der Effekt lässt Seifenblasen schillern, Opale funkeln und verleiht vielen Tieren ihre irisierende Pracht.
Pfau schlägt ein Rad
Dieser Querschnitt zeigt die Strahlen einer Pfauenfeder in 10.000-facher Vergrößerung. Die Aufnahme stammt aus dem Labor des Materialforschers Nicolas Vogel vom Department für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Gemeinsam mit Miguel Carneiro, einem Evolutionsbiologen an der Universität Porto, untersucht sein Team, wie Strukturfarben in der Tierwelt entstehen. Bei Pfauen sind dafür winzige Stäbchen aus Melanin zuständig, die sich an der Oberfläche der Federn stapeln wie Streichhölzer in der Schachtel. Im Querschnitt bilden sie das gleichmäßige Punkteraster, das hier zu sehen ist. Die Strukturen verstärken blaues und grünes Licht – unabhängig von der dunklen Farbe des Melanins.
Morphofalter auf einem Blatt
Unter dem Elektronenmikroskop, bei 10.000-facher Vergrößerung, wird die Struktur des Schmetterlingsflügels sichtbar. Er besitzt unzählige Lamellen, die im Querschnitt an Tannenbäume erinnern. Entscheidend sei der genau bemessene Abstand zwischen deren Ästen, sagt Nicolas Vogel: "Dort passt genau eine Welle blauen Lichts hinein. Sie wird immer wieder an den einzelnen Ästen gespiegelt und kommt genau gleich zurück." So überlagern sich schließlich viele Lichtwellen passender Länge, vereinen sich zu regelrechten Monsterwellen und verlassen den Lamellenwald schließlich als intensiv strahlendes Blau. Lichtwellen anderer Farben hingegen werden ziellos zwischen den Bäumen hin und her geworfen und löschen sich schließlich gegenseitig aus.
Wie langlebig die Strahlkraft von Strukturfarben ist, zeigt dieses Fossil eines Schwarzkäfers der Art Ceropria messelense aus der Grube Messel. 47 Millionen Jahre lang war es in Stein gebettet. Doch die erhaltenen Chitinstrukturen schimmern wie am ersten Tag. Solange sie intakt bleiben, verblassen die Farben nicht – ganz im Gegensatz zu vielen Farbstoffen auf chemischer Basis. Zu bewundern ist der bunte Brummer ab dem 4. April in der Sonderausstellung "Flower Power. Insekten im Blütenrausch" im Museum an der Grube Messel.
Gläzender Käfer auf einem Blatt
  • Farben
  • Tiere
  • Physik
27. Februar 2021,00:15
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