Besonders schöne, schillernde Farben kannst du in der Natur bei Käfern oder Schmetterlingen beobachten. Hast du bemerkt, dass ein Schmetterling seine schillernden Farben behält, selbst wenn er viele Jahre aufbewahrt wird? Diese Farben haben einen anderen Ursprung als die Farben unserer T-Shirts, die mit der Zeit verblassen. Hast du eine Idee, warum das so ist? Schreib sie in die Kommentare!
Um das Geheimnis des Schmetterlings zu lüften, haben wir uns den Schmetterlingsflügel unter einem Mikroskop angeschaut. In der Vergrößerung sieht man viele kleine Schuppen mit Rillen. Wenn man diese weiter vergrößert, erkennt man winzige Strukturen, die wie kleine Bäumchen aussehen. Diese Strukturen sind so klein, dass sie mit den Lichtwellen wechselwirken können. Jedes Ästchen wirkt dabei wie ein kleiner Spiegel, der die einfallenden Lichtwellen reflektiert. Wenn eine bestimmte Farbwelle an jedem einzelnen Ästchen so reflektiert wird, dass sich die Wellenberge der reflektierten Wellen genau überlagern, wird diese Wellenlänge verstärkt und kommt mit einer sehr hohen Intensität aus dem Schmetterlingsflügel zurück. Das nennt man konstruktive Interferenz (siehe dazu auch Grundlagen: Was ist Licht?). Der Abstand der Ästchen bestimmt dabei, welche Farbwellen konstruktiv interferieren. Bei unserem Schmetterling sind die Abstände zwischen den Ästchen genau so groß, dass die blauen Farbwellen sich verstärken. Deshalb erscheint der Schmetterling schillernd blau.
Auf der Unterseite der Schmetterlingsflügel gibt es keine Bäumchenstrukturen und es wird deshalb kein blaues Licht reflektiert. So kann der Schmetterling sich vor Fressfeinden tarnen, indem er seine Flügel zusammenfaltet.
Der Schmetterling hat also keine Farbmittel in seinen Flügeln, sondern die Farbe entsteht allein durch die Wechselwirkung der Lichtwellen mit der Struktur der Flügel. Solche Farben nennt man Strukturfarben. Ihr Vorteil ist, dass sie nicht verblassen, solange die Struktur intakt bleibt. Dadurch kann man sogar in Fossilien erkennen, welche Farben die Urzeittiere ursprünglich hatten.
Am Lehrstuhl für Interfaces und Partikeltechnologie der FAU Erlangen-Nürnberg versuchen wir, diese schillernden Farben der Natur im Labor nachzubauen. Dafür verwenden wir Kügelchen aus Silika, dem Bestandteil von Glas, die so klein (wenige hundert Nanometer) sind, dass sie mit Lichtwellen wechselwirken können. Die Kügelchen werden im Labor in sehr geordneten Schichten angeordnet. Wie genau man diese Schichten aus Kügelchen herstellt, kannst du dir in diesem Video ansehen.
Treffen nun Lichtwellen auf die Schichten aus Kügelchen, so „sehen“ die Lichtwellen ähnliche Strukturen wie die Bäumchenstrukturen auf den Schmetterlingsflügeln. Die eintreffende Lichtwelle wird an jeder Kugelschicht reflektiert, genau wie bei den einzelnen Ästchen im Schmetterlingsflügel. Die reflektierten Farbwellen verstärken sich, wenn genau eine Wellenlänge zwischen die Partikelschichten passt, d.h. die Wellenberge der reflektierten Farbwellen genau übereinander liegen. So entsteht eine konstruktive Interferenz und die Farbe wird stark verstärkt. Über die Größe der Kügelchen können wir die reflektierte Farbe genau einstellen. In unserem Beispiel haben die Kügelchen genau die Größe, sodass blaues Licht verstärkt wird und wir die schillernde Farbe erhalten, die wir beim blauen Morpho-Schmetterling beobachten.
Zusatzwissen: Solche Strukturfarben haben den Vorteil, dass wir sie nicht nur als Farbmittel, sondern auch als Sensoren einsetzen können. Wenn sich die Umgebung der Kugelstruktur ändert, zum Beispiel durch das Auffüllen der Kugelzwischenräume mit einer Flüssigkeit, verändert sich die beobachtete Farbe. Dieser Farbwechsel kann zum Beispiel eingesetzt werden, um vor gefährlichen Stoffen zu warnen.
Mitmach-Experiment Dünnfilm-Interferenz
Wir haben gelernt, dass die Farbe von Strukturfarben auf dem physikalischen Prinzip der Interferenz beruht. Dieses Prinzip wollen wir ausnutzen, um zu Hause Strukturfarbe selbst herzustellen. Dafür brauchst du nur eine Schlüssel Wasser, ein paar Tropfen Öl und eine Taschenlampe.
Ergebnis: Wenn du ein paar Tropfen Öl auf die Wasseroberfläche gibst, bildet das Öl einen dünnen Film auf der Oberfläche des Wassers. Leuchtest du nun mit einer Taschenlampe darauf, siehst du die „Ölpfütze“ in allen Farben schimmern. Das liegt daran, dass die Lichtwellen an der Grenzfläche zwischen Luft und Öl reflektiert werden. Das gleiche passiert an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser. Die Farbwellen, deren Wellenlänge genau in die Filmdicke passen, verstärken sich. Deshalb sehen wir abhängig von der Schichtdicke des Ölfilms jeweils eine andere Farbe des Regenbogens.
Der gleiche Effekt tritt ürbigens bei Seifenblasen auf. Deshalb schimmern die Blasen im Sonnenlicht in allen Farben.
Anwendungsbeispiel
Farbmittel, die ihre Farbe durch ihre Struktur erhalten, kommen nicht nur in der Natur vor, sondern werden auch industriell hergestellt
In Kosmetikprodukten oder Autolacken werden zum Beispiel Interferenzpigmente eingesetzt. Diese weisen ebenfalls sehr dünne Schichten auf, an denen die Lichtwellen reflektiert werden, ähnlich wie an unseren Kugelschichten aus dem Labor. Dabei erzielt man ähnliche Farbeffekte wie wir sie beim Schmetterling beobachten können.
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