Lichtabsorbierende Flügel: Das Geheimnis der Super Black Butterflies

"Die weißen Ufer und dahinter die fernen grünen Hügel unter der aufgehenden Sonne" ist eine der bekanntesten Beschreibungen der von Gandalf im Film "Der Herr der Ringe" zum Ausdruck gebrachten "Fortsetzung des Weges". Wenn wir den philosophischen Untertext verwerfen, erscheint dieses Bild einigen banal und einigen unglaublich schön. Hier, wie sie sagen, zu jedem sein eigenes, denn Schönheit liegt im Auge des Betrachters. Egal, was ein Mensch gerne bewundert, sei es ein Sonnenuntergang oder eine Meeresoberfläche, die Physik dieser Objekte ästhetischen Vergnügens bleibt unveränderlich. Verschiedene Materialien interagieren auf unterschiedliche Weise mit Licht, was zu einer so großen Variation im Farbspektrum führt. Es gibt jedoch Materialien, die praktisch kein Licht reflektieren und das meiste davon absorbieren. Von den synthetischen Materialien ist Vantablack hervorzuheben, das bis zu 99,965% der Strahlung absorbiert. So fanden Wissenschaftler der Duke University herausdass die Flügel einiger Arten von Schmetterlingen vergleichbare Eigenschaften haben, während sie um ein Vielfaches dünner sind als alle vom Menschen geschaffenen Substanzen. Wie schwarz sind die Flügel von Schmetterlingen, warum absorbieren sie Strahlung und wie können diese Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt werden? Ein Bericht von Wissenschaftlern wird uns darüber berichten. Gehen.

Studienbasis

Bei der Herstellung eines „superschwarzen“ Materials, das fast die gesamte Strahlung absorbiert, liegt der Schwerpunkt nicht auf Chemikalien, sondern auf deren interner Architektur. So besteht Vantablack beispielsweise aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren. Ein solches Material ist jedoch äußerst zerbrechlich, was den Anwendungsbereich stark einschränkt.


Ein kleines Video über Vantablack.

Im Gegensatz zu synthetischen Materialien mit einem hohen Absorptionskoeffizienten und dementsprechend einem niedrigen Reflexionskoeffizienten gibt es natürliche (Kohle, Ruß, Platinschwarz usw.).

Wenn wir über Lebewesen sprechen und nicht über verschiedene Mineralien, dann streift die Natur auch hier nicht den Rücken. Bei einigen Arten von Pferdespinnen, Vögeln und Schmetterlingen ist die Farbe in ihren Eigenschaften mit Vantablack vergleichbar.

Das Reflexionsvermögen der Flügel von Schmetterlingen aus der Familie der Papilionidae beträgt also 0,2%, was auf ihre polydisperse Wabenstruktur zurückzuführen ist. Und hier stellt sich die Frage: Haben alle Arten aus der Familie der Papilionidae die gleiche Flügelstruktur?


Pachliopta kotzebuea ist eine Schmetterlingsart aus der Familie der Papilionidae.

Schmetterlingsflügel sind trotz ihrer Zerbrechlichkeit in ihrer Struktur recht komplex, und dies ist eine Tendenz, die allen Arten aus allen Familien eigen ist. Das Fazit ist, dass diese Struktur unterschiedlich sein kann und die Implementierung verschiedener physikalischer Prozesse ermöglicht.

Eine detaillierte Untersuchung des Schmetterlingsflügels Papilionidae zeigt , dass die Absorption von Strahlung auf zwei Schichten mikroskopischer Schuppen zurückzuführen ist, deren Größe manchmal 2,5 Mikrometer nicht überschreitet. Im oberen Teil der Waage befindet sich eine Platte mit einem Muster in Form einer Quasi-Wabenstruktur, die aus Querrippen besteht, die die Kanten verbinden.


Schmetterlingsflügelflocken am Beispiel der Art Gonepteryx cleopatra (Clematra Zitronengras).

Ein derart lebhaftes Interesse an Schmetterlingen im Hinblick auf die Untersuchung ultraschwarzer Materialien ist nach Ansicht von Wissenschaftlern aus einer Reihe von Gründen zu spüren: Schmetterlinge haben verschiedene Arten von Skalen, die sich in ihrer Spezialisierung unterscheiden, darunter Mehrschichtreflektoren und Dünnfilme; Schuppen sind um ein Vielfaches dünner als andere ultraschwarze natürliche Materialien und synthetische Analoga. Die Flocken sind leicht und langlebig genug, um einen Flug zu ermöglichen.

Frühere Studien haben gezeigt, dass nanoskalige (240 nm) Löcher in der oberen Flockenplatte das Eindringen von Licht in die Flocken ermöglichen, wo es von Melanin absorbiert wird, das an Chitin in der Nagelhaut bindet. Es wurde auch gefunden, dass solche Platten mehr Licht absorbieren als Platten ohne Löcher. Es war jedoch noch nicht möglich, den Zweck der diese Löcher einschränkenden Strukturrippen genau zu bestimmen. Einige Wissenschaftler glauben, dass eine solche Struktur aufgrund der Lichtrichtung im Loch eine Erhöhung der Lichtabsorption bewirkt.

In der Studie, die wir heute betrachten, haben Wissenschaftler beschlossen, diese mysteriösen Skalen genauer zu untersuchen, um sowohl ihre Struktur als auch ihre lichtabsorbierenden Eigenschaften genauer zu beschreiben. Hierzu wurden Spektrophotometrie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Modellierung endlicher Zeitdifferenzen im Zeitbereich verwendet.

Vorläufige Ergebnisse sind, dass trotz signifikanter Unterschiede in der Größe und Form der Nanolöcher alle ultraschwarzen Schuppen steile Kanten und Trabekel aufweisen, die viel tiefer und breiter sind als gewöhnliche schwarze oder braune Schuppen. Die optische Modellierung hat bestätigt, dass diese Strukturmerkmale für einen so niedrigen Reflexionskoeffizienten von entscheidender Bedeutung sind und dass das Entfernen eines dieser Merkmale den Reflexionskoeffizienten um mehr als eine Größenordnung stark erhöht. Es ist auch offensichtlich, dass eine solche Flockenstruktur die Fläche für die Lichtabsorption vergrößert. Um die praktische Anwendung von ultraschwarzen Flügeln zu erklären, stellten Wissenschaftler die Theorie auf: Da alle Schmetterlinge superschwarze Flügelabschnitte haben, die immer an Bereiche einer anderen Farbe (weiß, rot usw.) grenzen, ist dies möglicherweise erforderlich, um die wahrgenommene Helligkeit und Farbsättigung zu erhöhen.Was wird in der interspezifischen und intraspezifischen Kommunikation angewendet?

Forschungsergebnisse

Um die potenzielle Vielfalt der Nanostrukturen zu untersuchen, die der superschwarzen Farbe von Schmetterlingen zugrunde liegen, wählten die Wissenschaftler 10 Schmetterlingsarten aus vier Unterfamilien aus: Papilioninae , Biblidinae , Danainae und Heliconinae . Als Kontrollgruppe wurden auch Schmetterlinge mit braunen und gewöhnlichen schwarzen Farben ausgewählt.


Bild Nr. 1: Reflexionsvermögen verschiedener Schmetterlingsgruppen in Abhängigkeit von der Strahlungswellenlänge.

Bei allen Schmetterlingen aus der superschwarzen Gruppe betrug das Reflexionsvermögen bei senkrecht einfallendem Licht (500 nm) 0,06% bis 0,4%. Bei Schmetterlingen aus der Kontrollgruppe lag dieser Parameter zwischen 1 und 3%.


Bild Nr. 2: Morphologische Vielfalt der Schuppenstruktur des Schmetterlingsflügels aus der superschwarzen Gruppe.

Ultraschwarze Materialien hängen letztendlich von der Absorption von Pigmenten ab, die in eine komplexe Struktur eingebettet sind. Zunächst wurde die Struktur von 11 Schmetterlingen (7 Superblack, 4 Kontrolle) unter Verwendung von SEM bewertet. Bei allen Schmetterlingen hatten die Flocken eine obere Schicht, die mit quasiperiodischen Löchern perforiert war. Es gab signifikante Unterschiede in Form und Größe der Löcher: in Form eines Chevrons in Eunica chlorocroa ; rechteckige Öffnungen (500 x 330 nm) für Catonephele antinoe , Catonephele numilia und Heliconius doris ; rechteckige Öffnungen (750x500 nm) für Euploea Dufresne und Euploea Klugi .

Es ist bemerkenswert, dass keine der Nymphaliden-Schmetterlinge (Unterfamilien Biblidinae , Danainae und Heliconinae ) eine ähnliche Wabenstruktur hatte wie Papillioniden (Familie Papilionidae ).

Das Fehlen einer Wabenstruktur in Kombination mit einer Vielzahl von Größen und Formen der Löcher legt nahe, dass die Lichtabsorptionsfähigkeit von Schmetterlingen nicht von der spezifischen Form oder Größe der Löcher abhängt. Einige der individuellen Änderungen in der Form des Lochs tragen jedoch wahrscheinlich dazu bei, die Absorption bei abnormalen Einfallswinkeln des Lichts zu erhöhen.


Eine Vielzahl von Formen und Größen von Nanolöchern nach Arten unter ultraschwarzen Schmetterlingen: A - Catonephele antinoe; B. — Catonephele numilia (); C — Catonephele numilia (); D — Eunica chlorocroa; E — Euploea dufresne; F — Euploea midamus; G — Euploea klugi; H — Heliconius doris; I — Heliconius ismenius; J — Napeocles jucunda; K — Trogonoptera brookiana (); L — Trogonoptera brookiana ().

In allen Proben von superschwarzen Schmetterlingen wurden zwei gemeinsame strukturelle Merkmale gefunden: steile Kanten und dauerhafte Trabekel, die die obere und untere Platte verbinden. In den Proben aus der Kontrollgruppe waren die Öffnungen viel größer und die Trabekel waren entweder viel kleiner oder fehlten vollständig.


Trabekel (rot hervorgehoben) bei Männern aus superschwarzen Schmetterlingsarten sind größer als bei Frauen aus der Kontrollgruppe: A - Trogonoptera brookiana (weiblich); B - Trogonoptera brookiana (männlich); C - Catonephele numilia (weiblich); D - Catonephele numilia (männlich).

Diese Unterschiede zeigen direkt die Bedeutung der offenbarten Strukturmerkmale, um ein geringes Reflexionsvermögen der Flügel zu erhalten.



Es ist merkwürdig, dass die Flügel von ultra-schwarzen Schmetterlingen, in denen Nanolöcher und große Trabekel gefunden wurden, auch nach dem Bedecken mit Gold (zur Durchführung von REM-Studien) ihre schwarze Farbe beibehalten haben (Foto oben).

Die Beobachtungen ermöglichten es, wertvolle Daten zu erhalten, die in der Simulation verwendet wurden: Der Beitrag der identifizierten geometrischen Merkmale des Schmetterlingsflügels zur Bildung des Reflexionsvermögens wurde bewertet.

Da die Flügelflocken ein geringes Reflexionsvermögen aufweisen und sogar transparent sein können (wie Motten), wurde das Reflexionsvermögen an zwei überlappenden Flocken berechnet, die auf einer 100% weißen Oberfläche liegen.

Unter Verwendung der Methode der endlichen Zeitdifferenz wurde das Reflexionsvermögen einer Struktur mit rechteckigen Öffnungen von 500 × 330 nm für einen Schmetterling der Art C. antinoe (die schwärzeste aller untersuchten Arten) modelliert .

Dann wurde eine ähnliche Simulation durchgeführt, jedoch mit entfernten Rippen, Trabekeln oder Grundplatten. Als Ergebnis wurde ein Schmetterlingsflügelflockenmodell mit einem Reflexionsvermögen im Bereich von 0,4 bis 1,0% über den gesamten sichtbaren Teil des Spektrums erhalten.


Bild Nr. 3: Simulationsergebnisse. Farbbezeichnungen: blau - ein Modell in vollem Maßstab; rote Flocke mit entfernten Trabekeln; gelb - Flocke mit entfernten Rippen; Violett- mit entfernten Grundplatten; braun - mit entfernten Trabekeln und Rippen; grün - ein rechteckiger Block mit dem gleichen Volumen an absorbierendem Material wie bei einer herkömmlichen Flocke.

Dieser Indikator war 14- bis 40-mal niedriger als bei der Modellierung mit zwei flachen überlappenden Platten aus demselben absorbierenden Material wie die Flocken.

Das heißt, das Entfernen der Rippen oder der gesamten inneren Struktur der Flocke führte zu einer 3- bis 16-fachen Erhöhung des Reflexionsvermögens. Wenn Sie ein vergleichbares Volumen an reflektierendem Material entfernen, ohne die Geometrie der Flocke selbst zu berühren, erhöht sich das Reflexionsvermögen nur zweimal. Bei der Entfernung der Grundplatten waren die Änderungen dieses Indikators äußerst unbedeutend.

Als nächstes wurde beschlossen, den Beitrag der Geometrie zur Bildung des Reflexionsvermögens ohne Beteiligung von absorbierendem Material zu berücksichtigen. Hierzu wurden Schuppen mit transparenten Rippen und Trabekeln modelliert.

Dieser Test zeigte, dass nur die Kanten der Flockenstruktur das Reflexionsvermögen um 14-58% verringern, verglichen mit Flocken, bei denen es überhaupt keine Kanten gibt. Trabekel reduzieren jedoch das Reflexionsvermögen um 5-70% im Vergleich zu Flocken, bei denen sie überhaupt nicht vorhanden sind.


Bild Nr. 4: Vergleich des Reflexionsvermögens von Flocken ohne Trabekel und mit transparenten Trabekeln (links); Vergleich des Reflexionsvermögens von Flocken ohne Kanten und mit transparenten Kanten (rechts).

Nach der Analyse der Geometrie begannen die Wissenschaftler mit der Analyse des Melaninpigments, um die Bedeutung seiner optischen Eigenschaften für die Bildung des allgemeinen Reflexionsvermögens des Schmetterlingsflügels herauszufinden. Melanin hat einen ungewöhnlich hohen realen ( n ) und imaginären ( k ) Brechungsindex für beide biologischen Materialien.

Unter Verwendung morphologischer Merkmale der Struktur von Flocken wurde das Reflexionsvermögen bei 550 nm unter Verwendung von 99 einzigartigen Kombinationen des Real- und Imaginärteils des Brechungsindex simuliert. Der gemessene Realteil des Brechungsindex betrug n = 1,33 (Wasser) bis n = 1,8 (Melanin) und der Imaginärteil k = 0,0 (ohne Absorption) bis k = 0,20.


Bild Nr. 5: Das Reflexionsvermögen wird hauptsächlich durch den Imaginärteil des Brechungsindex bestimmt.

Ohne Absorption nähert sich das Reflexionsvermögen von zwei Flocken auf einem weißen Hintergrund 100%, aber bei k = 0,06 beginnt es um 1% abzunehmen. Der Effekt des realen Brechungsindex dominiert die Wirkung des Imaginären bis zu k > 0,06. Bei einer Flocke mit einem hohen Imaginärteil ( k > 0,10) ändert sich die Situation und der Realteil des Brechungsindex wird für die Erhöhung des Reflexionsvermögens verantwortlich. Wenn beispielsweise k = 0,15 ist, ist das Reflexionsvermögen bei n = 1,33 88% niedriger als bei n = 1,8. Wenn 0,06 < k<0,10, das Reflexionsvermögen hängt von beiden Komponenten des Brechungsindex ab.

Dies legt nahe, dass zur Erzielung des bei ultraschwarzen Schmetterlingen beobachteten Reflexionsvermögens kein Melanin benötigt wird, sondern nur absorbierendes Material (idealerweise ist das Material mit dem Realteil des Brechungsindex niedriger als das von Melanin).

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Epilog

Diese Studie zeigte, dass Schmetterlinge einiger Arten einzigartige nanoskalige Strukturen in ihren Flügeln aufweisen, die ein Reflexionsvermögen von nicht mehr als 0,06% der Strahlung in einem Winkel von 90 ° bieten.

Es wurde festgestellt, dass sich zwischen den Flocken, die die Flügel von Schmetterlingen bedecken, Trabekel befinden, die die Oberfläche vergrößern, um die Strahlung von kutikulärem Melanin zu absorbieren.

Somit ist diese superschwarze Struktur mit synthetischen vergleichbar, außer dass sie nur 1/5 ihrer Dicke beträgt. Wenn wir also die Flügel von Schmetterlingen als Grundlage nehmen, können wir versuchen, ein bestimmtes synthetisches Analogon wiederherzustellen, das ein ähnliches Reflexionsvermögen aufweist und gleich dünn, aber stark ist.

Laut den Forschern selbst ist ihre Arbeit nicht nur für Ingenieure und Nanotechnologen von großem Interesse, sondern auch für Zoologen (insbesondere Lepidopterologen, die Schmetterlinge untersuchen), da unklar bleibt, warum Schmetterlinge so komplex sind. Vielleicht ist solch eine ungewöhnliche Farbe notwendig, um die Aufmerksamkeit eines Partners auf sich zu ziehen oder Raubtiere abzuschrecken, es gibt noch keine genaue Antwort. Wissenschaftler beabsichtigen auch, ihre Forschung fortzusetzen und sich auf die evolutionäre Komponente zu konzentrieren. Sie wollen herausfinden, wie viel superschwarze Farbe in den Flügeln von Schmetterlingen sich auf ihrem Entwicklungsweg manifestiert hat. Auf diese Weise können sie verstehen, warum die derzeit beobachtete Struktur der Skalen dominiert hat und was ihre Bildung beeinflusst hat.

Egal, was Wissenschaftler in Zukunft herausfinden, ihre Arbeit ist eine weitere Bestätigung dafür, dass die Natur uns immer noch überraschen kann.

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