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Optik: Scharfer Blick mit künstlichem Auge

Für die Technik von morgen sind sie nicht gerüstet: Heutige Linsensysteme sind groß, starr und anfällig. Die Natur macht vor, wie es besser geht - mit flexiblen Linsen, deren Brennweite durch Muskeln verändert werden kann. Ein neuer künstlicher Linsentyp geht nun den gleichen Weg. Für den Einsatz in optischen Mikrosystemen der Zukunft.
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"Schau mir in die Augen, Kleines!" Die freundliche Aufforderung führt uns eines der beeindruckendsten Wunder evolutiver Bastelei vor unsere eigenen Rezeptoren für elektromagnetische Strahlung. Vergleichen wir spaßeshalber die modernsten Hightechausgaben von Videosystemen mit den blauen, braunen, grünen oder grauen Exemplaren natürlichen Ursprungs, so fallen gleich mehrere deutliche Unterschiede ins Auge: Biologische Augen sind nicht nur viel schöner, sondern obendrein um einiges kleiner, leichter und flexibler.

Den Vorsprung verdanken wir zum Teil der Augenlinse, die je nach Spannung der ansetzenden Muskeln das einfallende Licht mehr oder weniger stark bricht, sodass ein scharfes Bild auf die Netzhaut fällt. So etwas würden Forscher mit ihren künstlichen Systemen auch gerne hinbekommen. Nach der traditionellen Methode stellen diese nämlich mit mehreren starren Linsen, die gegeneinander verschoben werden, das Bild scharf. Zu viele Komponenten, zu viel anfällige Mechanik und insgesamt viel zu groß. In einer Zeit, in der Telefone fotografieren und der Computer seinen Nutzer beim Nasebohren aufnimmt, mag eine derartig klobige Technik gerade noch angehen. Aber die Zukunft wird bekanntlich nano oder zumindest erstmal mikro. Und so verlangt sie dringendst nach neuen Linsen.

Die Rettung der optischen Zukunft liegt womöglich ausgerechnet in ihren Ursprüngen. Denn die lichtbrechende Kraft von Wassertropfen läutete einst das Zeitalter der Mikroskopie ein. Da Wasser für Licht ein wenig "zäher" ist als Luft, verändert sich beim Übergang zwischen den beiden Medien die Richtung eines Lichtstrahls. Was an einer ebenen Wasserfläche lediglich einen Knick in der Optik hervorruft, bewirkt beim Tropfen die Bündelung ursprünglich paralleler Strahlen. Geschickt genutzt, vergrößert diese primitive Linse als Wassertropfenlupe Fingerabdrücke, Käferbeine und Blutzellen mit erstaunlich hoher Qualität. Selbst Bakterien sollen unter extrem kleinen Wassertropfen zu erkennen sein.

Eine Wiedergeburt in neuem Gewand erlebt die Wassertropfenlupe derzeit an der Universität von Wisconsin in Madison. Dort entwickelt ein Ingenieurteam um Hongrui Jiang eine steuerbare adaptive Flüssigmikrolinse, die im Wesentlichen nach dem alten Prinzip funktioniert: Licht fällt auf eine gebogene Wasseroberfläche und wird dabei gebrochen. Doch mit ein paar einfachen Tricks wird daraus ein optisches System, das dem Vorbild Auge in mancherlei Hinsicht recht nahe kommt.

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Thermolinse | Je kühler die Umgebung ist, umso stärker ist diese Flüssiglinse gewölbt. Bei 23 Grad Celsius ist sie stark konvex (oben), bei 47 Grad Celsius dagegen konkav (unten). Dementsprechend bündelt oder streut sie einfallendes Licht.
Trick Nummer eins besteht darin, den Tropfen räumlich zu fixieren und dafür zu sorgen, dass das Wasser nicht verdunstet. Dafür kommt die künstliche Linse in eine Mikrokammer zwischen zwei Glasscheiben. Im unteren Teil enthält diese Kammer das Wasser, im oberen schwimmt ein Öl. Beide Flüssigkeiten sind durch eine Blende mit einem Loch getrennt. Genau an diesem Loch begegnen Wasser und Öl einander, und hier bildet sich der Linsentropfen. Trick Nummer zwei liegt in der steuerbaren Verformung des Wassertropfens. Diese Aufgabe übernimmt ein Ring aus einem Hydrogel, der das Wasser unterhalb des Blendenlochs umschließt.

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Linsenbau | Eine Mikrolinse in der Aufsicht: Ein Ring aus Hydrogel umschließt eine kleine Menge Wasser. Dehnt sich der Ring als Reaktion auf Veränderungen in der Umgebung aus, dringt Wasser durch eine Öffnung nach oben und formt dort eine Linse.
Als Material stehen hier verschiedene Substanzen zur Auswahl, die ihr Volumen als Reaktion auf Umweltreize verändern. So dehnt sich beispielsweise N-Isopropylacrylamid bei Temperaturen unter 32 Grad Celsius aus. Ein Gelring aus diesem Stoff drückt folglich in einer kühlen Umgebung das Wasser innerhalb des Ringes zusammen. Dem bleibt dann nur ein Weg zum Ausweichen: durch das Blendenloch – es entsteht ein schön gerundeter Wasserhügel. Wird es wärmer, zieht sich der Gelring wieder zusammen, das Wasser nutzt diesen neuen Raum, und die Linse wird flacher oder bekommt sogar eine negative Krümmung.

Außer temperatursensitiven Gels haben die Forscher in ihren Experimenten eine Version getestet, die auf den Säuregrad reagiert. Aber auch Substanzen, die auf Licht oder elektrische Felder ansprechen, sind denkbar. Wichtig ist nur, dass sie wiederholt expandieren und schrumpfen können und so über den Druck innerhalb des Ringes die Krümmung der Wasserlinse verstärken und abschwächen. Wie die natürliche Linse im Auge bricht diese dann das Licht und stellt verschieden weit entfernte Objekte scharf. Ein Vorgang, der bei den aktuellen Versuchen jedoch noch zehn oder mehr Sekunden gedauert hat.

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Säurelinse | Auch der pH-Wert kann als Regulationsgröße für die Krümmung der Linse dienen. Das Ringmaterial in diesem Experiment dehnt sich in alkalischen Milieus aus. Bei pH 4 ist die Linse flach und bildet eine Nadelspitze in 13,8 Millimetern Entfernung scharf ab (links). Bei pH 10 krümmt sie sich stark und liefert ein gutes Bild eines Kügelchen (rechts).
Die neuen Wasserlinsen sind keineswegs die ersten Flüssigkeitslinsen, deren Brennweiten beliebig manipulierbar sind. Doch im Gegensatz zu ihrer Konkurrenz kommen sie mit recht einfachen Mechanismen aus, die zudem mit bereits vorhandenen Technologien verknüpfbar wären. Selbst ganz gewöhnliche Elektroden würden ausreichen, um die Linsen scharf zu stellen. Und schon bekämen wir Bilder von ungeahnt dünnen Endoskopen oder von Minilaboratorien auf biochemischen Chips, deren Ergebnisanzeigen das unbewaffnete Auge nicht mehr ablesen könnte. In so einer Zukunft wären unsere Augen dann womöglich im Vergleich nicht mehr besser – aber schöner bleiben sie auf jeden Fall.
03.08.2006

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 03.08.2006

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