Der strahlende Schmetterling

Schwalbenschwanz effektiv wie Leuchtdiode

Bislang gingen Physiker davon aus, dass Schmetterlinge trotz ihrer schönen Farben über keinerlei Pigmente verfügen. Nun fanden englische Forscher eine Spezies, die tatsächlich in ihren Flügeln farbgebende Stoffe trägt. Es handelt sich um eine spezielle Schwalbenschwanzart, die in großen Teilen Afrikas zuhause ist. Sie verfügt über ein Biosystem, das sehr hohe Ausbeuten an Fluoreszenz erzielt und damit in den Bereich moderner Leuchtdioden (LED) kommt.

Seit Urzeiten erfreut sich das menschliche Auge an den schillernden Farben unserer kleinen bunten Freunde – der Schmetterlinge. Lange glaubten Forscher, das Leuchten sei allein auf Pigmentstoffe zurückzuführen. Jedoch konnten Wissenschaftler für die Familie der Bläulinge (Lycaenidae) zeigen, dass die Tiere erstaunlicherweise über keine dieser farbgebenden Stoffe verfügen. Bei ihnen ist allein die spezielle Nanostruktur der Oberfläche des Flügels für die leuchtende Farbe verantwortlich. Dieser weist mikroskopisch kleine, periodisch aufgebaute Einheiten auf – die so genannten photonischen Kristalle.

Pete Vukusic mit mehreren schönen Schmetterlingen, deren Farbe von photonischen Nanostrukturen herrührt (Bild: Exeter University)

Dadurch wird das einfallende Sonnenlicht gebrochen und reflektiert, oft mehrfach. Dies hat die Arbeitsgruppe von Pete Vukusic von der School of Physics an der Exeter University in Großbritannien für nahezu alle Schmetterlingsarten nachgewiesen. Ihre Ergebnisse dokumentierten die Forscher 1999 im Magazin „Biological Sciences“ (Biological Sciences, The Royal Society of London, 266, Seite 1403-1411, 1999).

Farbige Flügelschuppen des Schwalbenschwanzes (Bild: Vukusic)

Wie im Magazin Science (Science, Band 310, Seite 1151, 2005) berichtet, hat die Forschergruppe nun jedoch eine Spezies gefunden, die tatsächlich in ihren Flügeln Pigmente trägt: Der grüne, schmal gebänderte Schwalbenschwanz (Papilio nireus), in weiten Teilen Afrikas heimisch, verfügt über fast ganz schwarze Flügel, mit einem kleinen gelbgrünen Streifen. Als die englischen Physiker den kleinen Flieger genauer unter die Lupe nahmen, entdeckten sie etwas Erstaunliches: In den zweidimensionalen photonischen Kristallen auf seinen Flügeln sind tatsächlich winzigkleine farbgebende Mikrostoffe eingelagert. Diese strahlen Licht einer Wellenlänge von zirka 505 Nanometern aus.

Farbiges Band auf der Flügeloberfläche eines Schwalbenschwanzes (Bild: Vukusic)

Die Kristalle, die aus kleinen hohlen Röhrchen bestehen, lagern wiederum auf mehrschichtigen Schuppensystemen, welche aufgrund ihrer Struktur in der Lage sind, wie bei allen anderen Schmetterlingsarten Licht zu reflektieren. Dies geschieht gemäß des so genannten Bragg-Gesetzes, nach dem sich reflektiertes Licht – je nach Gangunterschied – gegenseitig auslöschen oder verstärken kann. Hier, so Pete Vukusic, erweist sich das Schichtsystem im Flügel des Insekts als eine Art Spiegel, der die Fluoreszenz der Pigmente verstärkt: Es fängt das von den photonischen Kristallen nach unten gestreute Licht wieder auf, lenkt es in eine andere Richtung, nach oben.

Drei verschiedene Vertreter aus der Gruppe der Schwalbenschwänze (Bild: Vukusic)

Dadurch kann es die Oberfläche des Flügels verlassen, wird emittiert. Auf diese Weise, freuen sich die Forscher, sei das Tier in der Lage, mit dieser natürlichen „Technologie“ eine sehr hohe Ausbeute an Fluoreszenz zu erreichen. „Es ist erstaunlich, dass Schmetterlinge solche ausgeklügelten Mechanismen entwickelt haben, die so hervorragend Licht und Farbe beeinflussen können. Die Bauweise und die Technik der Natur sind wahrlich inspirierend“, schwärmt Pete Vukusic.

Auf welche konkreten Forschungsergebnisse stützen sich die englischen Physiker? Zunächst berechneten sie das Fluoreszenzverhalten eines idealen photonischen Kristalls und verglichen es mit dem gemessenen Werten des wirklichen. Beide Ergebnisse zeigen einen signifikanten Unterschied: Beim realen Kristall entfällt die Fluoreszenz in Richtung der Kristallebene. Somit lenkt dieser das Licht des Pigmentes nur nach oben und unten.

Farbige Flügelschuppen des Schwalbenschwanzes (Bild: Vukusic)

Im nächsten Schritt untersuchten die Forscher um Pete Vukusic, wie sich die Fluoreszenz des photonischen Kristalls verhält. Dazu bedienten sie sich einen „Tricks“: Sie füllten seine Hohlräume mit einer Flüssigkeit, die den gleichen Brechungsindex wie er selbst hat. Auf diese Weise kann der Kristall „optisch abgeschaltet“ werden; die Signale tun so, als sei er nicht existent. Dadurch änderte sich auch die Fluoreszenz des Systems; ihre Intensität nahm ab. Damit, so die Forscher um Vukusic, sei bewiesen, dass die Fluoreszenz des photonischen Kristalls bei dieser Schmetterlingsspezies eine wichtige Rolle spiele.

Farbige Flügelschuppen des Schwalbenschwanzes (Bild: Vukusic)

Der entscheidende Faktor sei allerdings, so die britischen Physiker, das Mehrschichtensystem, in das der Kristall mit den molekülgroßen Farbträgern eingelagert ist. Dieses lenkt das Licht ähnlich einer Leuchtdiode (Light Emitting Diodes) (LED) in eine gewünschte Richtung. In diesem Fall bleibt dadurch nur ausgesandtes Licht übrig, das nach oben abgestrahlt wird. Dieses hat beim afrikanischen Schwalbenschwanz eine grün-gelbe Farbe.

Mikroskopisches Bild einer einzelnen Schuppe des Schwalbenschwanzes. Ihre Farbe rührt von der Kombination der Fluoreszenz mit dem Effekt der Mehrfachreflexion (Bild: Vukusic)

Der Clou: Die Forscher aus Exeter konnten nachweisen, dass Fluoreszenz hier deutlich in eine bestimmte Richtung gezwungen wird. Ferner gelingt es diesem Biosystem, eine sehr hohe Fluoreszenzausbeute zu erzielen. „Das Resultat zeigt ein sehr effizientes System einer Emission von Fluoreszenz, das es dem Schmetterling ermöglicht, die Richtung zu bestimmen, in welcher Licht ausgesandt wird“, ergänzt Vukusic. Weltweit hoffen Physiker, dieses Prinzip möglichst bald für die Leuchtdioden kopieren zu können.

Farbkontrast zweier verschiedener Vertreter aus der Gruppe der Schwalbenschwänze (Bild: Vukusic)

(Joachim Eiding)