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Bionik: Schmetterlingsflügel als Basis für Infrarotdetektor

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Die schillernden Flügel des südamerikanischen Morphofalters dienen Radislav Potyrailo vom General Electric Research Center in Niskayuna im US-Bundesstaat New York und seinen Kollegen als Grundlage für einen empfindlichen Infrarotdetektor. Verglichen mit heutigen Sensoren für Wärmestrahlung sei das bionische Exemplar sogar in vielerlei Hinsicht überlegen und sollte somit das Design zukünftiger Wärmebildsensoren beeinflussen.

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Blauer Morphofalter | Durch Infrarotstrahlung erwärmen sich die Nanostrukturen auf den Schmetterlingsflügeln und dehnen sich aus, wodurch sich die Farbe des reflektierten Lichts verändert.

Die schimmernden Farben verdanken die Falter winzigen, regelmäßig angeordneten Strukturen aus Chitin auf ihrer Flügeloberfläche, die das einfallende Licht je nach Wellenlänge unterschiedlich brechen und streuen. Dabei führt die komplexe Geometrie außerdem zu Interferenzeffekten. Seit einiger Zeit ist auch bekannt, dass sich die mit Luft gefüllten Nanostrukturen auf der Flügeloberfläche aufheizen und ausdehnen, wenn Infrarotstrahlung auf sie trifft. Daraufhin ändert sich ihr Brechungsindex, und die Wellenlänge des reflektierten infraroten Lichts wird in den sichtbaren Bereich verschoben.

Um die Wärmeabsorption noch zu steigern, beschichteten Potyrailo und sein Team den Schmetterlingsflügel in der aktuellen Studie mit Kohlenstoffnanoröhrchen. Die so präparierten Flügel registrieren noch Temperaturunterschiede von nur 0,02 Grad Celsius, berichten die Wissenschaftler. Die geringe Größe sowie die Materialeigenschaften von Chitin ermöglichen es zudem, dass das Aufheizen und Abkühlen sehr schnell vonstattengeht. So lassen sich selbst kurzzeitige Temperaturschwankungen erfassen.

"Dies stellt eine neue Klasse von Wärmebildsensoren dar, die eine deutliche Verbesserung gegenüber existierenden Detektoren in puncto Bildqualität, Geschwindigkeit, Empfindlichkeit, Größe, Stromverbrauch und Kosten verspricht", fasst Potyrailo die Vorteile der bionischen Sensoren zusammen. Wärmebildkameras kommen heutzutage in vielen Bereichen zum Einsatz, um die von einem Objekt emittierte Wärme zu visualisieren. Auch für zukünftige bionische Detektoren haben die Entwickler schon viele Einsatzideen, vom Aufspüren entzündeter Körperstellen beim Menschen bis hin zum Erkennen von Reibungspunkten in Maschinen. In einem nächsten Schritt wollen sie aber zunächst einmal gezielt Einfluss nehmen auf die Absorptionseigenschaften von solchen mikroskopischen Strukturen.

Morphofalterforschung
7. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 7. KW 2012

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