Das farbenfrohe Schwarz, das sich ständig verändernde Weiß, das strahlende Grün … wurden 100.000.000 Jahre lang überliefert?

Prüfungsexperte: Luo Huiqian

Assoziierter Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Die Natur ist voller bunter Farben. Ob es die üppigen grünen Bäume, die roten Blumenbüschel oder die Vögel und Schmetterlinge sind, die zwischen ihnen umherfliegen, sie alle verleihen unserer Welt viel Schönheit. Ihre Farben sind frisch, hell, lebendig und strahlend. Wie also entstehen diese wunderschönen Farben?

Farbquellen: Im Allgemeinen haben Farben in der Natur drei Quellen: Biolumineszenz, chemische Farbe und Strukturfarbe. Unter Biolumineszenz versteht man den Vorgang, bei dem manche Organismen unter aeroben Bedingungen durch die Einwirkung von Katalysatoren chemische Energie in organischer Materie in Lichtenergie umwandeln und freisetzen. Die Biolumineszenz von Glühwürmchen, Quallen und anderen Organismen fällt in diese Kategorie.

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Die chemische Farbwiedergabe basiert auf Pigmenten. In der Natur sind die meisten Farben, die wir sehen, chemische Farbstoffe, die aufgrund des Verlusts oder der Veränderung von Pigmenten verblassen oder ihre Farbe verändern. Die Farbe der Flamingos beispielsweise kommt von ihrer Nahrung, die aus Algen und Plankton besteht, die sie filtern. Diese Algen und Plankton enthalten Carotinoide. Nachdem die Flamingos sie gefressen haben, lässt die Ansammlung von Carotinoiden ihre Federn scharlachrot erscheinen. Sobald ein Flamingo aufhört, diese Art von Nahrung zu fressen, ändert sich seine Farbe langsam wieder zu Grau oder Weiß.

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Die strukturelle Farbwiedergabe basiert auf der Oberflächenstruktur von Organismen. Wenn sich der Beobachtungswinkel oder die Oberflächenstruktur ändert, sehen wir leicht andere Farben. Beispielsweise verändert sich die Farbe der Flügel von Schmetterlingen und Vögeln während des Vibrationsprozesses. Wenn Menschen beispielsweise beim Schleifen und Polieren von Bernstein und Insekten versehentlich deren Struktur beschädigen, wird die metallische Farbe, die der Bernstein und die Insekten über Hunderte Millionen Jahre bewahrt haben, zerstört.

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Vereinfacht ausgedrückt ist das Prinzip der strukturellen Farbwiedergabe die Rückkopplung der biologischen Oberflächenstruktur auf Licht, und jede Strukturfarbe ist das Produkt optischer Phänomene. Die Oberflächenstrukturen von Organismen variieren, daher variieren auch die Farben, die sie aufweisen.

Es gibt drei Arten von Strukturfarben: Dünnschichtinterferenz, Beugungseffekte und selektive Streuung.

Die Strukturfarben von Organismen entstehen meist durch Dünnschichtinterferenzen. Die durch Dünnschichtinterferenz erzeugte Farbe hängt von der Anzahl der Schichten der biologischen Oberflächenstruktur und der Strukturmorphologie jeder Schicht ab. Je mehr Schichten vorhanden sind und je komplexer die Struktur, desto deutlicher ist die Interferenz zwischen dem reflektierten und dem emittierten Licht, die entsteht, wenn das Licht auf die Oberfläche trifft, und desto heller ist die auf der Oberfläche dargestellte Strukturfarbe.

Dünnschicht-Interferenzquelle: Baidu Encyclopedia

Die durch den Beugungseffekt erzeugte Strukturfarbe kommt hauptsächlich vom Bragg-Beugungseffekt, der durch die regelmäßige Struktur der biologischen Oberfläche verursacht wird. Wenn Licht auf eine regelmäßige Oberflächenstruktur trifft, wird es teilweise absorbiert und das verbleibende Licht ändert seine Ausbreitungsrichtung, wird gebrochen oder reflektiert und nach Überlagerung und Interferenz mit dem Licht in dieser Richtung entsteht ein neuer optischer Effekt, nämlich die Strukturfarbe.

Schematische Darstellung der Oberflächenstruktur Bragg-Beugung Quelle: Baidu Encyclopedia

Unregelmäßige biologische Oberflächenstrukturen streuen das Licht, wenn es damit beleuchtet wird. Die Streuung, die Strukturfarben erzeugen kann, ist normalerweise die Rayleigh-Streuung oder die Mie-Streuung. Wenn die Partikelgröße kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist, tritt hauptsächlich Rayleigh-Streuung auf und die gestreute Farbkomponente ist hauptsächlich blau. Wenn die Partikelgröße etwa gleich oder größer als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist, tritt Mie-Streuung auf und die gestreuten Farben sind hauptsächlich Rot und Grün.

Die Anwendung von Strukturfarben basiert auf einem speziellen Farbwiedergabeprinzip. Strukturfarben bieten viele Vorteile, wie Sauberkeit und Umweltschutz, langanhaltende Farbfixierung und steuerbare Farbe. Der Mensch kann durch verschiedene Mittel die Oberflächenstruktur von Gegenständen beeinflussen und ihnen so bestimmte Farben verleihen. Diese Art von Technologie wird in vielen Bereichen eingesetzt.

Im militärischen Bereich können verschiedene Arten von Geräten durch das Aufsprühen spezieller Farbstoffe, die dafür sorgen, dass sie Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren oder streuen, für Radar unsichtbar gemacht werden. Darüber hinaus können durch die umfassende Ausnutzung der mehrschichtigen mikroporösen Struktur, die Strukturfarben erzeugt, intelligente tragbare Geräte hergestellt werden, die sowohl Tarnfunktionen besitzen als auch atmungsaktiv und wärmeisolierend sind.

Im Bereich der industriellen Fertigung können durch gezielte Gestaltung der Oberflächenstruktur Strukturfarbfasern hergestellt werden. Aus solchen Fasern gewebte Kleidung muss nicht gefärbt werden. Dadurch können einerseits Umweltschäden durch Färbeabwässer bei der Produktion vermieden und andererseits das Ausbleichen der Kleidung nach mehrmaligem Waschen verhindert werden.

Horizontale Betrachtung der Gedenkmünzen der Olympischen Winterspiele

Vertikale Betrachtung der Gedenkmünzen der Olympischen Winterspiele. Quelle: Internet

Auch im Lebensbereich finden Strukturfarben breite Anwendung. So wurde beispielsweise auf den zuvor ausgegebenen Gedenkbanknoten zu den Olympischen Winterspielen durch die Implantation von Nano-Mikrostrukturen das Entwicklungskonzept „Grünes Wasser und grüne Berge sind Berge aus Gold und Silber“ veranschaulicht. Bei horizontaler Betrachtung zeigt die Banknote „grünes Wasser und grüne Berge“, während bei vertikaler Betrachtung aus „grünem Wasser und grünen Bergen“ „goldene und silberne Berge“ werden. Diese Technologie steigert nicht nur den ästhetischen Wert der Banknote, sondern integriert auch das Konzept der nachhaltigen Entwicklung und lässt die Umweltschutzeigenschaften der Strukturfarbe voll zum Tragen kommen.

Darüber hinaus zeigte eine im Fachmagazin Science Advances veröffentlichte Studie, dass ein chinesisch-amerikanisches Forschungsteam ein neuartiges Strukturfarbmaterial entwickelt hat, das künftig im Transportbereich eingesetzt werden könnte. Forscher haben Experimente durchgeführt, bei denen sie Schnittstellen mit diesem Material abgedeckt haben. Da Fußgänger und Autofahrer unterschiedliche Beobachtungswinkel haben, empfangen sie auch unterschiedliche Signale, was zu unterschiedlichen Warnungen führen kann.

Die von der Natur geschaffenen Farben versetzen uns immer wieder in Erstaunen und während wir diese Farben Schritt für Schritt erkunden, lernen wir auch ständig die Magie der Schöpfung der Natur kennen. In diesem Prozess des Erkundens, Lernens und Entdeckens haben wir der Welt viele wunderschöne Farben hinzugefügt.