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Photonik: Nach dem Vorbild der Natur

Goldene Käfer, blaue Falter, grüne Fliegen – die Welt der Insekten schillert bunt. Die Farbenpracht beruht dabei auf winzigen Strukturen in den Panzern oder Flügeln der Tiere. Forscher lassen sich davon zu inno­vativen photonischen Bauteilen inspirieren.
Mistkäfer Anoplotrupes stercorosus

Das Spiel mit Licht und Farben ist in der Natur allgegenwärtig. Im Lauf der Evolution haben Pflanzen und Tiere leuchtende Farbtöne, metallische Reflexe und komplexe Muster entwickelt, mit denen sie auf sich aufmerksam machen oder Fressfeinde täuschen können. Häufig nutzen sie dazu Pigmente – Moleküle, die das Licht selektiv absorbieren. Aber es gibt auch einen anderen Mechanismus. Die großen metallgrünen Schmeißfliegen zum Beispiel haben keinerlei Pigmente auf ihrer äußeren Stützstruktur. Das Gleiche gilt für die Morphofalter, etwa Morpho rhetenor mit seinen großen blauen Flügeln, sowie für goldene Käfer wie Aspidimorpha sanctaecrucis.

Auf ihren Flügeln oder ihrer äußeren Hülle haben diese Insekten statt Farbmolekülen winzige Nanostrukturen, die mit den einfallenden Lichtstrahlen wechselwirken. Auf Grund der Wellennatur des Lichts ergeben sich dadurch Interferenzen und Beugungseffekte mit erstaunlichen Resultaten: beispielsweise der Reflexion einer einzelnen Wellenlänge, Totalreflexion mit Ausnahme einer einzigen Wellenlänge, der gerichteten Emission von bestimmten Farben, dem so genannten Irisieren, bei dem die Oberfläche je nach Perspektive in einer anderen Farbe erscheint, und vielem mehr. Die Analyse solcher Strukturen offenbart, dass relativ einfache Architekturen komplexe optische Phänomene hervorrufen können.

Entsprechend suchen Forscherinnen und Forscher in der Natur Inspiration, um neue, leistungsfähige photonische Geräte zu entwerfen. Dazu studieren sie zunächst die dort vorkommenden Systeme ausgiebig, um die zu Grunde liegenden Prinzipien zu verstehen. Das leuchtende Metallgrün der Goldfliege beruht zum Beispiel auf der Struktur ihres Außenpanzers aus Chitin, der für Insekten und andere Gliederfüßer typisch ist. Diese so genannte Cuticula besteht bei der Fliege aus einem Stapel von mehreren Schichten, die jeweils einige dutzend Nanometer dick sind. Obwohl jede Schicht für sich genommen durchsichtig ist, können sie im Paket Licht reflektieren. Denn wenn eine Lichtwelle …

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  • Quellen

Barry, M. A. et al.: Evolutionary algorithms converge towards evolved biological photonic structures. Scientific Reports 10, 2020

Bennet, P. et al.: Analysis and fabrication of antireflective coating for photovoltaics based on a photonic-crystal concept and generated by evolutionary optimization. Physical Review B 103, 2021

Berthier, S.: Des insectes à la photonique. Pour la Science 401, 2011

Gondarenko, A.: Spontaneous emergence of periodic patterns in a biologically inspired simulation of photonic structures. Physical Review Letters 96, 2006

Molesky, S. et al: Inverse design in nanophotonics. Nature Photonics 12, 2018