Strukturelle Färbung

Strukturelle Färbung ist die Erzeugung von Farbe durch mikroskopisch strukturierte Oberflächen, die fein genug sind, um sichtbares Licht zu stören, manchmal in Kombination mit Pigmenten. Zum Beispiel sind Pfauenschwanzfedern braun pigmentiert, aber ihre mikroskopische Struktur lässt sie auch blaues, türkises und grünes Licht reflektieren und sie sind oft schillernd.

Die Strukturfärbung wurde erstmals von den englischen Wissenschaftlern Robert Hooke und Isaac Newton beobachtet, und ihr Prinzip – die Welleninterferenz – wurde ein Jahrhundert später von Thomas Young erklärt. Junge beschrieben Irisieren als Ergebnis der Interferenz zwischen Reflexionen von zwei oder mehr Oberflächen von dünnen Filmen, kombiniert mit Brechung, wenn Licht in solche Filme eintritt und diese verlässt. Die Geometrie bestimmt dann, dass bei bestimmten Winkeln das von beiden Oberflächen reflektierte Licht konstruktiv interferiert, während das Licht bei anderen Winkeln destruktiv interferiert. Verschiedene Farben erscheinen daher in verschiedenen Winkeln.

In Tieren wie auf den Federn von Vögeln und den Schuppen von Schmetterlingen wird Interferenz durch eine Reihe von photonischen Mechanismen erzeugt, einschließlich Beugungsgittern, selektiven Spiegeln, photonischen Kristallen, Kristallfasern, Matrizen von Nanokanälen und Proteinen, die ihre Konfiguration variieren können. Einige Fleischstücke zeigen auch strukturelle Färbung aufgrund der Exposition der periodischen Anordnung der Muskelfasern. Viele dieser photonischen Mechanismen entsprechen aufwändigen Strukturen, die durch Elektronenmikroskopie sichtbar sind. In den wenigen Pflanzen, die Strukturfärbung ausnutzen, werden brillante Farben durch Strukturen in Zellen erzeugt. Die leuchtendste blaue Färbung, die in jedem lebenden Gewebe bekannt ist, findet sich in den Marmorbeeren von Pollia condensata, wo eine spiralförmige Struktur aus Zellulosefibrillen die Braggsche Gesetzstreuung des Lichts erzeugt. Der helle Glanz von Butterblumen wird durch Dünnfilmreflexion durch die Epidermis, die durch gelbe Pigmentierung ergänzt wird, und starke diffuse Streuung durch eine Schicht von Stärkezellen unmittelbar darunter erzeugt.

Die Strukturfärbung hat Potenzial für industrielle, kommerzielle und militärische Anwendungen, mit biomimetischen Oberflächen, die brillante Farben, adaptive Tarnung, effiziente optische Schalter und reflexionsarmes Glas bieten könnten.

Geschichte
In seinem 1665 erschienenen Buch Micrographia beschreibt Robert Hooke die „fantastischen“ Farben der Pfauenfedern:

Die Teile der Federn dieses herrlichen Vogels erscheinen durch das Mikroskop nicht weniger farbenfroh als die ganzen Federn; denn mit bloßem Auge ist es offensichtlich, daß der Stamm oder die Feder jeder Feder im Schwanz eine Vielzahl von Seitenästen aussendet, so daß jeder dieser Fäden im Mikroskop einen großen, langen Körper bildet, der aus einer Vielzahl von hellen Spiegeln besteht Teile.
… ihre Oberseiten scheinen mir aus einer Vielzahl von dünn überzogenen Körpern zu bestehen, die sehr dünn sind und sehr dicht beieinander liegen und dadurch, wie Perlmuttschalen, nicht nur ein sehr lebhaftes Licht reflektieren, sondern dieses Licht tönen auf höchst merkwürdige Weise; und durch verschiedene Positionen, in Bezug auf das Licht, reflektieren sie jetzt eine Farbe, und dann noch eine, und jene am lebhaftesten. Nun, da diese Farben nur phantastische sind, dh, wie sie unmittelbar aus den Brechungen des Lichtes entstehen, habe ich dadurch gefunden, daß das Wasser, das diese farbigen Teile benetzt, ihre Farben zerstört, was weiterzugehen scheint aus der Veränderung der Reflexion und Brechung.

In seinem Buch Opticks aus dem Jahre 1704 beschrieb Isaac Newton den Mechanismus der Farben, die sich vom braunen Pigment der Pfauenschwanzfedern unterschieden. Newton bemerkte das

Die feingefärbten Federn einiger Vögel, und besonders jene der Pfauenschwänze, erscheinen im selben Teil der Feder in mehreren Positionen des Auges von mehreren Farben, nach der gleichen Art, wie dünne Platten gefunden wurden tun in der 7. und 19. Beobachtungen, und deshalb entstehen ihre Farben von der Dünnheit der durchsichtigen Teile der Federn; das heißt, von der Schlankheit der sehr feinen Haare oder Capillamenta, die aus den Seiten der groberen lateralen Äste oder Fasern dieser Federn herauswachsen.

Thomas Young (1773-1829) erweitert Newton ’s Partikeltheorie des Lichts, indem gezeigt wird, dass sich Licht auch wie eine Welle verhalten könnte. Er zeigte 1803, dass Licht von scharfen Kanten oder Schlitzen brechen und Interferenzmuster erzeugen konnte.

Frank Evers Beddard (1858-1925) erkannte in seinem Buch Animal Coloration von 1892 die Existenz struktureller Farben:

Die Farben der Tiere sind entweder nur auf bestimmte Pigmente in der Haut zurückzuführen, oder … unter der Haut; oder sie werden teilweise durch optische Effekte aufgrund der Streuung, Beugung oder ungleichen Brechung der Lichtstrahlen verursacht. Farben der letzteren Art werden oft als strukturelle Farben bezeichnet; Sie werden durch die Struktur der farbigen Oberflächen verursacht. Der metallische Glanz der Federn vieler Vögel, wie z. B. der Kolibris, ist auf die Anwesenheit von zu feinen Streifen auf der Oberfläche der Federn zurückzuführen: 1

Aber Beddard verwarf die Strukturfärbung zunächst einmal weitgehend den Pigmenten: „In jedem Fall braucht die [strukturelle] Farbe einen Hintergrund des dunklen Pigments;“ 2 und dann, indem sie ihre Seltenheit behauptet: „Bei weitem die häufigste Quelle von Farbe bei wirbellosen Tieren ist das Vorhandensein bestimmter Pigmente in der Haut „, 2 aber er gibt später zu, dass der goldene Kap des Kaps“ strukturelle Eigenheiten „in seinen Haaren hat, die“ leuchtende Farben verursachen „.: 32

Prinzipien
Struktur nicht pigmentiert

Weitere Informationen: Feder
Die Strukturfärbung wird eher durch Interferenzeffekte als durch Pigmente verursacht. Farben werden erzeugt, wenn ein Material mit feinen parallelen Linien, die aus einer oder mehreren parallelen dünnen Schichten gebildet sind, oder aus anderen Mikrostrukturen auf der Skala der Wellenlänge der Farbe besteht.

Strukturelle Färbung ist verantwortlich für die Blau- und Grüntöne der Federn vieler Vögel (z. B. Bienenfresser, Eisvogel und Walker), sowie vieler Schmetterlingsflügel, Käferflügelkästen (Elytra) und (wenn auch selten unter Blumen) der Glanz von Butterblumeblumenblättern. Diese sind oft irisierend, wie in Pfauenfedern und Perlmuttschalen wie Perlmuscheln (Pteriidae) und Nautilus. Dies liegt daran, dass die reflektierte Farbe vom Betrachtungswinkel abhängt, der wiederum den scheinbaren Abstand der verantwortlichen Strukturen bestimmt. Strukturfarben können mit Pigmentfarben kombiniert werden: Pfauenfedern sind mit Melanin braun pigmentiert, während Hahnenfußblätter sowohl Carotinoidpigmente für Vergilbung als auch dünne Filme für Reflexionsvermögen aufweisen.

Prinzip der Irideszenz
Weitere Informationen: Dünnschicht-Interferenz und Irideszenz

Das Schimmern, wie von Thomas Young 1803 erklärt, entsteht, wenn extrem dünne Filme einen Teil des von ihren oberen Oberflächen auf sie fallenden Lichts reflektieren. Der Rest des Lichtes durchläuft die Filme und ein weiterer Teil wird von den unteren Oberflächen reflektiert. Die zwei Sätze reflektierter Wellen wandern in derselben Richtung nach oben. Aber da die vom Boden reflektierten Wellen noch ein wenig weiter gingen – gesteuert durch die Dicke und den Brechungsindex des Films und den Winkel, in dem das Licht fiel – sind die zwei Wellensätze außer Phase. Wenn die Wellen eine oder mehrere ganze Wellenlängen voneinander entfernt sind – mit anderen Worten, in bestimmten Winkeln, addieren sie sich (konstruktiv interferieren) und geben eine starke Reflexion. Bei anderen Winkeln und Phasendifferenzen können sie subtrahieren und schwache Reflexionen geben. Der dünne Film reflektiert daher selektiv nur eine Wellenlänge – eine reine Farbe – bei jedem gegebenen Winkel, aber andere Wellenlängen – verschiedene Farben – bei unterschiedlichen Winkeln. So wie sich eine Dünnfilmstruktur wie ein Schmetterlingsflügel oder eine Vogelfeder bewegt, scheint sie ihre Farbe zu ändern.

Mechanismen
Feste Strukturen
Eine Anzahl von festen Strukturen kann strukturelle Farben durch Mechanismen erzeugen, die Beugungsgitter, selektive Spiegel, photonische Kristalle, Kristallfasern und deformierte Matrizen umfassen. Strukturen können viel aufwändiger sein als ein einziger dünner Film: Filme können so gestapelt werden, dass sie ein starkes Schillern ergeben, zwei Farben kombinieren oder die unvermeidliche Änderung der Farbe mit einem Winkel ausgleichen, um einen diffuseren, weniger irisierenden Effekt zu erzielen. Jeder Mechanismus bietet eine spezifische Lösung für das Problem der Erzeugung einer hellen Farbe oder Kombination von Farben, die aus verschiedenen Richtungen sichtbar sind.

Ein Beugungsgitter, das aus Schichten von Chitin und Luft besteht, führt zu den schillernden Farben verschiedener Schmetterlingsflügelschuppen sowie zu den Schwanzfedern von Vögeln wie dem Pfau. Hooke und Newton hatten recht, als sie behaupteten, dass die Farben des Pfaus durch Interferenz erzeugt werden, aber die dafür verantwortlichen Strukturen, die nahe bei der Wellenlänge des Lichts liegen (siehe Mikroaufnahmen), waren kleiner als die gestreiften Strukturen, die sie mit ihren Lichtmikroskopen sehen konnten. Eine weitere Möglichkeit, ein Beugungsgitter zu erzeugen, sind baumförmige Anordnungen von Chitin, wie in den Flügelschuppen einiger der farbenprächtigen tropischen Morpho-Schmetterlinge (siehe Zeichnung). Noch eine andere Variante existiert in Parotia lawesii, Lawes Parotia, ein Paradiesvogel. Die Federn des bunten Brustpatches sind V-förmig und erzeugen Dünnfilm-Mikrostrukturen, die zwei verschiedene Farben, blau-grün und orange-gelb, stark reflektieren. Wenn der Vogel sich bewegt, wechselt die Farbe scharf zwischen diesen beiden Farben, anstatt irisierend zu treiben. Während der Balz macht der männliche Vogel systematisch kleine Bewegungen, um Weibchen anzulocken, also müssen sich die Strukturen durch sexuelle Selektion entwickelt haben.

Photonische Kristalle können auf verschiedene Arten gebildet werden. In Parides sesostris, dem smaragdfarbenen Rinderherz, werden photonische Kristalle aus nano-großen Löchern im Chitin der Flügelschuppen gebildet. Die Löcher haben einen Durchmesser von etwa 150 Nanometern und sind etwa gleich weit voneinander entfernt. Die Löcher sind regelmäßig in kleinen Flecken angeordnet; benachbarte Patches enthalten Arrays mit unterschiedlichen Orientierungen. Das Ergebnis ist, dass diese smaragdfarben geflickten Rinderherzschuppen grünes Licht gleichmäßig in verschiedenen Winkeln reflektieren, anstatt irisierend zu sein. In Lamprocyphus augustus, ein Rüsselkäfer aus Brasilien Das Chitin-Exoskelett ist mit irisierenden grünen ovalen Schuppen bedeckt. Diese enthalten auf Diamant basierende Kristallgitter, die in alle Richtungen orientiert sind, um eine brillante grüne Färbung zu ergeben, die kaum mit dem Winkel variiert. Die Skalen sind effektiv in Pixel von etwa einer Mikrometer Breite unterteilt. Jedes dieser Pixel ist ein Einkristall und reflektiert Licht in einer anderen Richtung als seine Nachbarn.

Selektive Spiegel zur Erzeugung von Interferenzeffekten werden aus mikrongroßen schüsselförmigen Gruben gebildet, die mit mehreren Chitinschichten in den Flügelschuppen von Papilio palinurus, dem Smaragdschwalbenschwanzschmetterling, ausgekleidet sind. Diese fungieren als hochselektive Spiegel für zwei Lichtwellenlängen. Gelbes Licht wird direkt von den Zentren der Gruben reflektiert; blaues Licht wird zweimal an den Seiten der Gruben reflektiert. Die Kombination erscheint grün, kann jedoch als eine Anordnung von gelben Flecken, die von blauen Kreisen unter einem Mikroskop umgeben sind, gesehen werden.

Kristall Fasern, die aus hexagonalen Anordnungen von hohlen Nanofasern bestehen, erzeugen die hellen, schillernden Farben der Borsten von Aphrodita, der Meeresmaus, einer nichtwurmartigen Gattung von Meeres-Anneliden. Die Farben sind aposematisch und warnen Räuber vor Angriffen. Die Chitinwände der hohlen Borsten bilden einen hexagonalen wabenförmigen photonischen Kristall; die hexagonalen Löcher sind 0,51 μm voneinander entfernt. Die Struktur verhält sich optisch so, als ob sie aus einem Stapel von 88 Beugungsgittern bestünde, was Aphrodita zu einem der schillerndsten Meeresorganismen macht.

Deformierte Matrizen, die aus zufällig orientierten Nanokanälen in einer schwammartigen Keratinmatrix bestehen, erzeugen die diffuse nicht-irisierende blaue Farbe von Ara ararauna, dem blau-gelben Ara. Da die Reflexionen nicht alle in der gleichen Richtung angeordnet sind, variieren die Farben, obwohl sie immer noch großartig sind, nicht sehr mit dem Winkel, so dass sie nicht irisierend sind.

Spiralwicklungen aus helikoidal gestapelten Cellulose-Mikrofibrillen erzeugen in den „Marmorbeeren“ des afrikanischen Krautes Pollia condensata Bragg-Reflexionen, die zu der intensivsten in der Natur bekannten Blaufärbung führen. Die Beerenoberfläche besteht aus vier Zellschichten mit dicken Wänden, die Spiralen aus transparenter Zellulose enthalten, die so angeordnet sind, dass eine konstruktive Interferenz mit blauem Licht möglich ist. Unter diesen Zellen befindet sich eine zwei bis drei Zellen dicke Schicht, die dunkelbraune Tannine enthält. Pollia produziert eine stärkere Farbe als die Flügel von Morpho-Schmetterlingen und ist eine der ersten Strukturen, die von Pflanzen bekannt sind. Jede Zelle hat ihre eigene Dicke aus gestapelten Fasern, wodurch sie eine andere Farbe als ihre Nachbarn reflektiert und einen pixelierten oder pointillistischen Effekt mit verschiedenen Blautönen erzeugt, die mit leuchtend grünen, violetten und roten Punkten gesprenkelt sind. Die Fasern in irgendeiner Zelle sind entweder linkshändig oder rechtshändig, so dass jede Zelle das Licht, das sie in die eine oder andere Richtung reflektiert, zirkular polarisiert. Pollia ist der erste Organismus, der eine solche zufällige Polarisation des Lichts zeigt, die jedoch keine visuelle Funktion hat, da die samenfressenden Vögel, die diese Pflanzenarten besuchen, kein polarisiertes Licht wahrnehmen können. Spiralförmige Mikrostrukturen werden auch in Skarabäus Käfern gefunden, wo sie irisierende Farben produzieren.

Dünnschicht mit diffusem Reflektor, basierend auf den oberen beiden Schichten der Blütenblätter einer Butterblume. Der brillante gelbe Glanz ergibt sich aus einer bei Pflanzen seltenen Kombination von Gelbpigment und Strukturfärbung. Die sehr glatte obere Epidermis wirkt als reflektierender und irisierender dünner Film; Zum Beispiel ist bei Ranunculus acris die Schicht 2,7 Mikrometer dick. Die ungewöhnlichen Stärkezellen bilden einen diffusen, aber starken Reflektor, der die Brillanz der Blüte verstärkt. Die gebogenen Blütenblätter bilden eine parabolische Schale, die die Hitze der Sonne auf die Fortpflanzungsteile im Zentrum der Blüte richtet und sie einige Grad Celsius über der Umgebungstemperatur hält.

Oberflächengitter, die auf geordneten Oberflächenstrukturen beruhen, sind durch die Exposition von geordneten Muskelzellen auf Fleischstücken bedingt. Die Strukturfärbung an Fleischschnitten erscheint erst, nachdem das geordnete Muster von Muskelfibrillen freigelegt wurde und Licht durch die Proteine ​​in den Fibrillen gebeugt wird. Die Färbung oder Wellenlänge des gebeugten Lichts hängt von dem Betrachtungswinkel ab und kann durch Abdecken des Fleisches mit durchscheinenden Folien verbessert werden. Das Aufrauhen der Oberfläche oder das Entfernen des Wassergehalts durch Trocknen bewirkt, daß die Struktur zusammenbricht und somit die Strukturfärbung verschwindet.

Variable Strukturen
Einige Tiere, einschließlich Tintenfische wie Tintenfische sind in der Lage, ihre Farben für Tarnung und Signalgebung schnell zu variieren. Zu den Mechanismen gehören reversible Proteine, die zwischen zwei Konfigurationen umgeschaltet werden können. Die Konfiguration von Reflektionsproteinen in Chromatophore-Zellen in der Haut des Tintenfischs von Doryteuthis pealeii wird durch elektrische Ladung gesteuert. Wenn Ladung fehlt, stapeln sich die Proteine ​​fest zusammen und bilden eine dünne, reflektierende Schicht; Wenn Ladung vorhanden ist, stapeln sich die Moleküle lockerer und bilden eine dickere Schicht. Da Chromatophore mehrere reflektierende Schichten enthalten, ändert der Schalter den Schichtabstand und damit die Farbe des reflektierten Lichts.

Blauring-Kraken verbringen einen Großteil ihrer Zeit damit, sich in Spalten zu verstecken, während sie mit ihren dermalen Chromatophorezellen wirksame Tarnmuster zeigen. Wenn sie provoziert werden, ändern sie schnell ihre Farbe und werden hellgelb, wobei jeder der 50-60-Ringe innerhalb eines Drittels einer Sekunde hell schillerndes Blau blinkt. In dem größeren Blauring-Oktopus (Hapalochlaena lunulata) enthalten die Ringe mehrschichtige Iridophore. Diese sind so angeordnet, dass sie blaugrünes Licht in einer weiten Betrachtungsrichtung reflektieren. Die schnellen Blitze der blauen Ringe werden durch neuronale Kontrolle der Muskeln erreicht. Unter normalen Umständen ist jeder Ring durch Kontraktion der Muskeln über den Iridophoren verborgen. Wenn sich diese entspannen und Muskeln außerhalb des Rings kontrahieren, werden die hellblauen Ringe freigelegt.

In der Technologie
Die Strukturfärbung könnte industriell und kommerziell genutzt werden, und Forschungen, die zu solchen Anwendungen führen könnten, sind im Gange. Eine direkte Parallele wäre die Schaffung aktiver oder anpassungsfähiger militärischer Camouflage-Stoffe, die ihre Farben und Muster an ihre Umgebung anpassen, so wie es Chamäleons und Kopffüßer tun. Die Fähigkeit, das Reflexionsvermögen für unterschiedliche Lichtwellenlängen zu variieren, könnte auch zu effizienten optischen Schaltern führen, die wie Transistoren funktionieren könnten, wodurch es Ingenieuren ermöglicht wird, schnelle optische Computer und Router herzustellen.

Die Oberfläche des Facettenauges der Stubenfliege ist dicht gepackt mit mikroskopischen Projektionen, die die Reflektion und damit die Transmission von einfallendem Licht reduzieren. In ähnlicher Weise haben die Augen einiger Motten antireflektierende Oberflächen, die wiederum Säulenreihen verwenden, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. „Mottenaugen“ -Nanostrukturen könnten verwendet werden, um Glas mit geringem Reflexionsvermögen für Fenster, Solarzellen, Anzeigevorrichtungen und militärische Stealth-Technologien zu erzeugen. Antireflektierende biomimetische Oberflächen, die das „Mottenaugen“ -Prinzip verwenden, können hergestellt werden, indem zuerst eine Maske durch Lithographie mit Goldnanopartikeln erzeugt wird und dann reaktives Ionenätzen durchgeführt wird.