der muerzpanther
WENN KÄFER DEN PREIS FÜR SCHÖNHEIT GEWINNEN … Einer   meiner   Lieblingskäfer,   der   auffallend   ist   und   im   Namen   bereits   die   Farbgebung   trägt ist   der   Hoplia   argentea ,   der   Goldstaub-Laubkäfer.   Er   bereichert   durch   seinen   Besuch   die blühenden   Rosen   jedes   Jahr   ungemein,   ist   im   Gebirge   und   Gebirgsvorland   anzutreffen   und zeigt   jedes   Jahr   seine   prächtige   Farbausprägung.   Dabei   ist   er   nur   auf   der   Unterseite   goldig, oben   zeigt   sich   eine   grün,   gelb,   oder   metallisch   goldgrüne   Beschuppung.   Doch   woher   rührt diese Farbenpracht? Sind es Pigmente oder andere Strukturen? Dieser   Frage   ist   ein   Team   um   den   Materialphysiker   Dr.   Bodo   Wilts   nachgegangen   und   hat fundamentale Teile   des   Rätsels   der   "Schillerfarben",   die   heutzutage   Strukturfarben   genannt werden,   vieler   Insekten   und   anderer   Tierarten   gelöst.   Der   MÜRZPANTHER   hat   mit   dem Professor   der   Paris   Lodron   Universität   Salzburg   ein   interessantes   Gespräch   über   dieses optische Phänomen der Natur geführt.
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ACHTUNG! Dieser Artikel enthält folgende Ausdrücke:
Biologen   haben   schon   lange   festgestellt,   wofür   Farben   im   Tierreich   dienen:   zur   Tarnung, zur   Abschreckung   und   natürlich   um   Weibchen   anzulocken.   Dabei   spielen   Pigmente   eine wichtige   Rolle,   allerdings   fehlen   diese   den   Insekten,   um   die   Farben   blau   oder   grün   zu erzeugen.   Das   bewerkstelligen   sie   mit   so   genannten   Nanostrukturen,   die   etwa   auf   den Chitin-Panzern   der   Käfer   oder   den   Schuppen   der   Schmetterlingsflügel   vorhanden   sind, erklärt   Bodo   Wilts.   " Solche   physikalischen   Farben   entstehen   dadurch,   dass   transparente Materialien   wie   das   Chitin   auf   Nanobasis   strukturiert   sind,   und   aufgrund   dieser   Struktur entstehen   durch   Streuung   oder   Reflexion   des   Lichts   verschiedene   optische   Effekte.“    Für den    menschlichen    Bedarf    wird    dieses    Prinzip    beispielsweise    für    die    Entspiegelung    von Brillen oder auch bei den Sicherheitsmerkmalen von Geldscheinen genutzt.   dMP: Welche physikalische Strukturen führen zu den Effekten am Geldschein? Prof.   Bodo   Wilts:   Das   sind   oft   Multilagenstrukturen,   die   z.B.   auch   auf   Käferdeckschilden gefunden werden können.
Der Goldstaub-Laubkäfer bei der Familienplanung. Das ist allerdings ein Käfer, für dessen Farbgebung Pigmente verantwortlich sind.  Foto: der MÜRZPANTHER
Das   Fernziel   von   Wilts   Forschung   ist   es,   die   Farben,   die   es   in   der   Natur   gibt,   im   Labor erzeugen   und   technologisch   herstellen   zu   können.   "Wir   möchten   bestehende   Materialien, die   suspekt   sind   -   wie   neuerdings   zum   Beispiel   Titandioxid   -   auf   lange   Sicht   gesehen ersetzen.“   Um   bei   diesem   Beispiel   zu   bleiben:   Der   Hauptanwendungsbereich   von Titandioxid   als   weißes Farbpigment   liegt   in   der   Herstellung   von   Farben,   Lacken,   Papier   und   Kunststoffen.   Es   wird aber    auch    als    Lebensmittelzusatzstoff    E171    hauptsächlich    in    Süßigkeiten    oder    Brotauf- strichen   verwendet.   Und   in Arzneimitteln.   Dazu   die   EU   Verordnung   2022/63   der   Kommission vom    14.    Januar    2022,    Absatz    12:    Titandioxid    (E    171)    darf    daher    nicht    mehr    in Lebensmitteln   verwendet   werden.“    Und   für   dieses   mittlerweile   umstrittene   Farbpigment braucht es einen Ersatz! dMP:   Sie   sprechen   immer   von   Nanostrukturen.   Bedarf   es   der   Größe   (Kleinheit)   oder funktioniert das System der Lichtbrechung auch in anderen Dimensionen?             Prof.   Bodo   Wilts:   Für   einen   Effekt   im   Sichtbaren   müssen   die   Strukturen   auf   der   Längenskala von    sichtbarem    Licht    strukturiert    sein,    also    so    in    der    Größenordnung    einiger    hundert Nanometer.   Das   Schöne   an   optischen   Strukturen   ist,   dass   sie   (solange   sich   nicht   das   Material ändert)    auch    längeninvariant    sind,    d.h.    das    kleinere    Strukturen    dann    Ultraviolett    und größere    Strukturen    im    Infraroten    (und    drüber    hinaus)    reflektieren.    Das    Prinzip    bleibt dasselbe. dMP: Wo in der Tierwelt kommen diese Strukturfarben außer bei Insekten noch vor? Prof.   Bodo   Wilts:   Fast   überall   findet   man   Beispiele:   bei   Vögeln,   Käfern,   Spinnen,   Maul- würfen, Pinguinen, Fischen etc. Ein   gutes   Beispiel   für   den   Unterschied   in   der   Farberzeugung   ist   der   Goldstaub-Laubkäfer, der   brillant   grün   leuchtet,   egal   aus   welchem   Winkel   man   ihn   betrachtet.   Ganz   anders hingegen   sein   enger   Verwandter   mit   der   auffallend   himmelblauen   Beschuppung   namens Hoplia   coeruleus ,   der   sehr   unterschiedlich   schillert,   je   nachdem   von   welcher   Seite   man   auf ihn schaut.  dMP: Welche Materialien können solche Strukturen überhaupt bilden?     Prof.   Bodo   Wilts:   In   Insekten   werden   die   Strukturen   aus   Chitin,   in   Vögeln   aus   Keratin geformt.   Über   den   exakten   Formungsprozess   ist   noch   wenig   bekannt,   insbesondere   für   kom- plexe Strukturen. dMP:   Wird   die   Farbe   Rot   in   Flügeln   in   der   Natur   bevorzugt   durch   Pigmente   gebildet, oder   gibt   es   auch   dafür   bestimmte   Nanostrukturen?   Was   sind   die   Gründe,   dass   einmal Pigmente, ein andermal Nanostrukturen farbgebend sind?                               Prof.   Bodo   Wilts:   Allerdings   ist   es   so:   Rot   ist   meist   ein   Pigment.   Das   liegt   daran,   dass Pigmente   die   Farbe   Rot   einfacher   farbenrein   herstellen   können,   da   bei   optischen   Struk- turen oft noch ein Sekundärband im blauen entsteht, welches die Farbe verwäscht.
Ein Blattkäfer, dessen  Außenskelett stark und metallisch in den Farben blau, grün, rot und violett glänzt. Ein wunderschönes Beispiel für Nanostrukturen? Foto:  der MÜRZPANTHER
Multilagenstrukturen aus dem Tierreich finden sich auch auf dem Euro wieder- und erzeugen schillernde Farbspiele, die als Sicherheitsmerkmal dienen. Foto: der MÜRZPANTHER
dMP:    Sind    bei    den    meisten    farbenprächtigen    Tierarten    diese    Strukturen    bereits erforscht   und   untersucht   –   oder   kann   die   Wissenschaft   mit   weiteren   Erkenntnissen rechnen?                  Prof.   Bodo   Wilts:   Mit   Überraschungen   ist   immer   zu   rechnen   und   ich   bin   mir   sicher,   dass   noch viele Strukturen neu gefunden werden können. dMP:   Ist   es   denkbar,   dass   solche   oder   ähnliche   Strukturen   auch   bei   nicht-optischen Formen in der Natur zur Anwendung kommen?                                                                       Prof. Bodo Wilts: Absolut. Hier gibt es sogar sehr aktuelle Forschung. Ein    Beispiel    daraus:    Motten    können    über    den    Mechanismus    von    Ultraschall-Abwehrge- räuschen   Echoortungsangriffen   von   Fledermäusen   ausweichen.   Einige   Motten   verwenden sogar Hochleistungs-Ultraschall, der Fledermaussonare stören kann. dMP: Können Sie diese Strukturen bereits alle „nachbauen“?                                           Prof.   Bodo   Wilts:   Nein,   leider   nicht.   Nur   Einfache   Schicht-   und   Lagenstrukturen.   Bei   den komplexen   3D   Strukturen   ist   uns   die   Natur   noch   weit   voraus   und   wir   suchen   nach   neuen Wegen, diese im Labor herzustellen. dMP:    Wo    außer    bei    Photovoltaik   Anlagen    können    in    Zukunft    so    generierte    Farben Anwendung finden? Auch in der Kunst?                                                                                         Prof.   Bodo   Wilts:   Die   Kunst   ist   sicher   interessiert   und   Farbpigmente   auf   Multilagenstruk- turen   basierend   finden   sogar   schon   Anwendung,   dazu   aus   einem   meiner   Artikel   -   The Japanese   jewel   beetle:   a   painter's   challenge   -   aus   dem   Jahre   2013:   „There   can   be   no doubt,   that   if   the   only   criterion   applied   were   beauty   and   the   brilliance   and   intensity   of colour,   some   of   the   metallic   beetles   would   get   the   prize   if   they   were   exhibited   side   by   side with   objects   made   of   gold   and   precious   stones.“    Aber   auch   in   anderen   Bereichen   wie Kosmetik und im Druck hoffen wir alte Materialien ersetzen zu können. dMP: Herzlichen Dank für das Interview!