Schmetterlingsbeugung

Die Färbung von Pflanzen und Tieren kann chemischer oder physikalischer Natur sein. Im ersten Fall wird die Farbe dank Pigmenten erhalten - Substanzen, die einen Teil des sichtbaren Lichts absorbieren: Dadurch wird es nicht vollständig von den Flügeln eines Käfers oder dem Gefieder eines Vogels reflektiert und erhält eine gewisse Farbe. Im zweiten Fall wird Licht auf eine bestimmte Weise reflektiert, weil es auf eine Oberfläche fällt, die mit periodischen Rillen im Nanometerbereich bedeckt ist - Lichtwellen interferieren darauf und nur Wellen einer bestimmten Länge werden aus dem gesamten Spektrum ausgewählt.

Wir haben einen Test für Sie vorbereitet: Versuchen Sie, die Flügelfarbe eines Schmetterlings zu bestimmen, indem Sie seine Nanostruktur untersuchen. Für eine sehr grobe Abschätzung können wir annehmen, dass die Brechungsindizes innerhalb der Rillen und zwischen ihnen ungefähr gleich sind und gleich 1, 6 sind, und dass das Licht im gleichen Winkel auf sie fällt. Dann kann die Wellenlänge des ersten Interferenzmaximums - in der Regel ist es diese Welle, die die Farbe ergibt - mit der Formel λ ≈ 2 × 1,6 × L berechnet werden, wobei L die Texturperiode ist. Bewaffnen Sie sich mit einem Lineal, der obigen Formel und - los geht's.

Sichtbare Wellenlängen:

rote Farbe - von 770 bis 622 Nanometer,

orange - von 622 bis 597 Nanometer,

gelb - von 597 bis 577 Nanometer,

grün - von 577 bis 510 Nanometer,

blau - von 510 bis 480 Nanometer,

blau - von 480 bis 455 Nanometer,

violett - von 455 bis 380 Nanometer (Grenze des sichtbaren Spektrums).

1. Es gibt verschiedene Arten von Nanotexturen auf den Flügeln von Schmetterlingen. Auf der Oberfläche der Flügel von Schmetterlingen der Gattung Morpho haben Wissenschaftler beispielsweise Schuppen mit vertikalen Platten gefunden, auf denen sich "Regale" befinden. Der Abstand zwischen diesen Regalen ist über die gesamte Fläche des Flügels gleich, wodurch die Farbe erscheint. Welche?

1. Blau Violett
2. Blau Blau
3. Grün
4. Gelb Orange

Richtig

Es ist ein Morpho menelaus Schmetterling mit blau-blauen Flügeln. Um dies zu verstehen, reicht es uns, die Dicke der horizontalen Stacheln und den Abstand zwischen ihnen recht grob abzuschätzen. Dies ergibt eine Periode von etwa 150 Nanometern. Dementsprechend sollte die Wellenlänge λ ≈ 2 × 1, 6 × L = 2 × 1, 6 × 150 = 480 Nanometer sein – das ist genau die Grenze zwischen Blau und Blau und schon gar nicht Grün oder Orange.

Nicht richtig

Es ist ein Morpho menelaus Schmetterling mit blau-blauen Flügeln. Um dies zu verstehen, reicht es uns, die Dicke der horizontalen Stacheln und den Abstand zwischen ihnen recht grob abzuschätzen. Dies ergibt eine Periode von etwa 150 Nanometern. Dementsprechend sollte die Wellenlänge λ ≈ 2 × 1, 6 × L = 2 × 1, 6 × 150 = 480 Nanometer sein – das ist genau die Grenze zwischen Blau und Blau und schon gar nicht Grün oder Orange.

2. Jetzt, da wir wissen, worauf wir achten und was wir zählen müssen, wird das nächste Problem einfacher. Dies ist ein weiterer Schmetterling aus der gleichen Morpho-Gattung. Welche Farbe haben ihre Flügel, wenn die Schuppen so aussehen?

1. Blau
2. Grün
3. Orange
4. rot

Richtig

Dies sind Mikrofotografien der Flügelschuppen eines Morpho-Rhetenor-Schmetterlings. Sie sind leuchtend blau.

Anhand des Lineals können Sie schätzen, dass die Dicke des Dorns etwa 50 Nanometer beträgt und die Breite der Rille zwischen ihnen etwa 90 Nanometer beträgt. Dann beträgt die Periode dieser Textur 140 Nanometer, und die Wellenlänge der reflektierten Welle beträgt 2 × 1, 6 × L = 2 × 1, 6 × 140 = 448 Nanometer. Dies ist bereits eine violette Farbe, aber da unsere Schätzung ziemlich grob ist, könnten wir uns leicht um ein paar Dutzend Nanometer irren, und Blau ist die nächste der vorgeschlagenen Optionen.

Nicht richtig

Dies sind Mikrophotographien der Flügelschuppen eines Morpho-Rhetenor-Schmetterlings. Sie sind leuchtend blau.

Anhand des Lineals können Sie schätzen, dass die Dicke des Dorns etwa 50 Nanometer beträgt und die Breite der Rille zwischen ihnen etwa 90 Nanometer beträgt. Dann beträgt die Periode dieser Textur 140 Nanometer, und die Wellenlänge der reflektierten Welle beträgt 2 × 1, 6 × L = 2 × 1, 6 × 140 = 448 Nanometer. Dies ist bereits eine violette Farbe, aber da unsere Schätzung ziemlich grob ist, könnten wir uns leicht um ein paar Dutzend Nanometer irren, und Blau ist die nächste der vorgeschlagenen Optionen.

3. Hier, auf den Schuppen der Flügel, gibt es wieder Kämme, die von kleinen horizontalen "Verstrebungen" gehalten werden (und selbst wiederum durch größere horizontale Brücken verbunden sind). Einige dieser Strukturen geben Farbe. Welche?

1. Violett
2. Blau
3. Gelb
4. Weiß

Richtig

Dies ist der Morpho Helenor Schmetterling. Hier müssen Sie sich die kleinen Querbrücken ansehen, die die Stäbe "zusammenhalten", aus denen die Grate bestehen.

Es ist ziemlich schwierig, die Periode aus einem solchen Foto zu bestimmen, aber sie liegt irgendwo im Bereich von 150 Nanometern. Dies gibt uns eine Wellenlänge von 480 Nanometern und wieder eine blau-blaue Farbe. Es ist fast die häufigste Farbe nicht nur bei Morpho-Schmetterlingen, sondern im Allgemeinen von allen Strukturfarben.

Und wenn Sie auf die Jumper zwischen den Kämmen achten, können Sie feststellen, dass die Wellenlänge der von ihnen reflektierten Welle außerhalb des optischen Spektrums liegt - sie geben uns also keine Farbe.

Nicht richtig

Dies ist der Morpho Helenor Schmetterling. Hier müssen Sie sich die kleinen Querbrücken ansehen, die die Stäbe "zusammenhalten", aus denen die Grate bestehen.

Es ist ziemlich schwierig, die Periode aus einem solchen Foto zu bestimmen, aber sie liegt irgendwo im Bereich von 150 Nanometern. Dies gibt uns eine Wellenlänge von 480 Nanometern und wieder eine blau-blaue Farbe. Es ist fast die häufigste Farbe nicht nur bei Morpho-Schmetterlingen, sondern im Allgemeinen von allen Strukturfarben.

Und wenn Sie auf die Jumper zwischen den Kämmen achten, können Sie feststellen, dass die Wellenlänge der von ihnen reflektierten Welle außerhalb des optischen Spektrums liegt - sie geben uns also keine Farbe.

4. Dieser Schmetterling hat ein ganz anderes Flügel-Mikrorelief. Aber es beeinflusst auch die Farbe der Flügel. Hier gibt es noch schräge Wände, daher müssen wir zur groben Abschätzung noch den Lichteinfallswinkel α addieren: λ ≈ 2 × 1,6 × L × sin α. Welche Farbe wird ein Schmetterling mit einer solchen Flügeloberfläche haben?

1. Die Periode ist zu kurz - und unabhängig vom Einfallswinkel wird das Licht des sichtbaren Teils des Spektrums von einer solchen Oberfläche nicht reflektiert. Der Schmetterling wird schwarz
2. Es ist schwierig, die Periode aus diesem Winkel abzuschätzen - aber unter Berücksichtigung der Neigung der Wände sollte es etwa anderthalbhundert Nanometer und eine blaugrüne Farbe geben
3. Schräge, aufgeraute Wände verwandeln den Flügel in einen metallisch glänzenden Breitbandreflektor
4. Die ungeordnete Textur ergibt eine perlmuttweiße Farbe, aber eine kurze Zeit, unter Berücksichtigung des Einfallswinkels, fügt einen violetten Glanz hinzu

Richtig

Dies ist Argyrophorus argenteus - ein südamerikanischer Schmetterling mit scheinbar metallenen Flügeln. Durch die Rillen, die in gleichem Abstand zueinander, aber in unterschiedlichen Winkeln entlang der Oberfläche verlaufen, wird der Flügel zum Breitbandreflektor im gesamten Frequenzbereich des sichtbaren Lichts. Dieses Phänomen ist selten und meist nur in kleinen Bereichen des Flügels - meist wird der Flügel dadurch golden. Und bei diesem Schmetterling ist der gesamte Flügel mit einer solchen Textur bedeckt, und dank der breitbandigen diffusen Reflexion im Bereich von 350 Nanometer bis 1,3 Mikrometer und der Resonanz des elektromagnetischen Felds mit den inneren Elementen der Textur erhält der Flügel ein metallisches Glanz.

Nicht richtig

Das ist Argyrophorus argenteus - ein südamerikanischer Schmetterling mit scheinbar metallenen Flügeln. Durch die Rillen, die in gleichem Abstand voneinander, aber in unterschiedlichen Winkeln entlang der Oberfläche verlaufen, wird der Flügel zum Breitbandreflektor im gesamten Frequenzbereich des sichtbaren Lichts. Dieses Phänomen ist selten und meist nur in kleinen Bereichen des Flügels - meist wird der Flügel dadurch golden. Und bei diesem Schmetterling ist der gesamte Flügel mit einer solchen Textur bedeckt, und dank der breitbandigen diffusen Reflexion im Bereich von 350 Nanometer bis 1,3 Mikrometer und der Resonanz des elektromagnetischen Felds mit den inneren Elementen der Textur erhält der Flügel ein metallisches Glanz.

5. Eine andere Methode der strukturellen Färbung besteht darin, Licht nicht mit periodischen Vorsprüngen im Nanometerbereich zu reflektieren, sondern mit durchscheinenden horizontalen Schichten. Wenn sie mit einem bestimmten Zeitraum lokalisiert sind, erscheint die Farbe aufgrund der Interferenz auch hier. Beim nächsten Schmetterling haben die Flügel genau diese Struktur: Auf den ersten Blick scheinen sie etwas zufällig angeordnet zu sein, aber tatsächlich kann man auch hier eine qualitative Abschätzung für die Wellenlänge vornehmen. Welche Farbe hat der Flügel mit dieser Struktur?

1. Weiß, weil alles reflektiert wird
2. Blau Violett
3. Gelbgrün
4. rot

Richtig

Dies ist die Flügelstruktur des Brillanten Eibischs (Chrysozephyrus brillantinus), und so einfach ist es wirklich nicht. Diese Struktur hat mindestens zwei Perioden: Die oberen Schichten haben eine Periodizität von etwa 100 Nanometern und die unteren haben eine Periodizität von etwa 170. Nach unserer Gleichung sollten die oberen Schichten eine maximale Reflexion im Bereich von 320 Nanometern ergeben - dies liegt bereits jenseits der Grenze des sichtbaren Teils des Spektrums. Aber die unteren liegen irgendwo im Bereich von 550 Nanometern, das heißt, es ist grün irgendwo an der Grenze zu Gelb. Es ist die gelb-grüne Färbung, die wir sehen, und kleine Variationen in den Schattierungen - von gelb bis blau - sind mit dem Winkel verbunden, aus dem wir den Flügel betrachten.

Nicht richtig

Dies ist die Flügelstruktur des Brillanten Eibischs (Chrysozephyrus brillantinus), und so einfach ist es wirklich nicht. Diese Struktur hat mindestens zwei Perioden: Die oberen Schichten haben eine Periodizität von etwa 100 Nanometern und die unteren haben eine Periodizität von etwa 170. Nach unserer Gleichung sollten die oberen Schichten eine maximale Reflexion im Bereich von 320 Nanometern ergeben - dies liegt bereits jenseits der Grenze des sichtbaren Teils des Spektrums. Aber die unteren liegen irgendwo im Bereich von 550 Nanometern, das heißt, es ist grün irgendwo an der Grenze zu Gelb. Es ist die gelb-grüne Färbung, die wir sehen, und kleine Variationen in den Schattierungen - von gelb bis blau - sind mit dem Winkel verbunden, aus dem wir den Flügel betrachten.

6. Schmetterlinge mit einer geschichteten Flügelstruktur haben einen weiteren wichtigen Parameter im Zusammenhang mit der Färbung - die Menge des reflektierten Lichts. Dieser Wert hängt nicht mehr von der Periodizität der Strukturen auf der Flügeloberfläche ab, sondern von den Parametern des Untergrunds, auf dem sie angebracht sind. Aus diesen beiden mikroskopischen Aufnahmen der Flügel können Sie beispielsweise erkennen, welcher dieser beiden Schmetterlinge leichter ist

1. Beide farbig, der erste ist heller
2. Beide farbig, der erste ist dunkler
3. Beide mit Regenbogenüberlauf, der erste ist heller
4. Beide sind schwarzbraun, der erste ist dunkler

Richtig

Dies sind Fotografien der Flügel der Schmetterlinge Jalmenus evagoras und Arhopala amantes. Ihre Farbe ist aus diesen Fotografien eher schwer zu bestimmen - hier ist es wichtig, den Zeitraum zu kennen, in dem sich die Schichten befinden. Die Helligkeit hängt jedoch davon ab, wie stark das Licht absorbiert wird – je mehr Poren, desto dunkler wird der Flügel. Bei Jalmenus evagoras ist die Oberfläche flach und der Flügel blassblau, bei Arhopala amantes ist die Flügeloberfläche porös, sodass andere Farben als Blau fast nicht reflektiert werden.

Nicht richtig

Dies sind Fotografien der Flügel der Schmetterlinge Jalmenus evagoras und Arhopala amantes. Ihre Farbe ist aus diesen Fotografien eher schwer zu bestimmen - hier ist es wichtig, den Zeitraum zu kennen, in dem sich die Schichten befinden. Die Helligkeit hängt jedoch davon ab, wie stark das Licht absorbiert wird – je mehr Poren, desto dunkler wird der Flügel. Bei Jalmenus evagoras ist die Oberfläche flach und der Flügel blassblau, bei Arhopala amantes ist die Flügeloberfläche porös, sodass andere Farben als Blau fast nicht reflektiert werden.

7. Dies ist ein weiterer Schmetterling mit einer mehrschichtigen Färbung. Sie hat einen zweifarbigen Flügel, eine der Farben ist blau. Es erscheint aufgrund der Strukturpigmentmethode der Färbung und es ist unmöglich, es nur anhand der Oberflächenstruktur zu erraten. Aber die zweite Farbe wird aufgrund der komplexen Geometrie der Flügeloberfläche genau geformt - sie ist nur auf dem Foto zu sehen. Was ist Farbe?

1. Rot - die Periode ist sehr lang, daher sollte die Wellenlänge auch von der niederfrequenten Seite des Spektrums sein
2. Weiß - von einer solchen ungeordneten Textur werden offensichtlich alle Wellenlängen reflektiert und addieren sich zu Weiß
3. Metallisch – Breitbandreflexion des Lichts im sichtbaren und angrenzenden Spektralbereich führt zu einem metallischen Glanz
4. Schwarz - alles Licht wird auf dieser porösen Oberfläche absorbiert

Richtig

Papilio ulysses hat einen blau-schwarzen Flügel. Die Poren in den Schichten, die Sie betrachtet haben, sind unregelmäßig. Diese Porenstruktur absorbiert 90 Prozent des Lichts und macht den Flügel schwarz. An einigen Stellen des Flügels befindet sich unter diesen Poren noch eine zusätzliche Schicht absorbierenden Pigments (wo die schwarze Farbe matt wird), aber auch ohne das Pigment wird fast das gesamte einfallende Licht absorbiert.

Nicht richtig

Papilio ulysses hat einen blau-schwarzen Flügel. Die Poren in den Schichten, die Sie betrachtet haben, sind unregelmäßig. Diese Porenstruktur absorbiert 90 Prozent des Lichts und macht den Flügel schwarz. An einigen Stellen des Flügels befindet sich unter diesen Poren noch eine zusätzliche Schicht absorbierenden Pigments (wo die schwarze Farbe matt wird), aber auch ohne das Pigment wird fast das gesamte einfallende Licht absorbiert.

8. Neben Rillen und Schichtstrukturen verwenden einige Insekten zum Färben und viel komplexere dreidimensionale photonische Kristallstrukturen. Zum Beispiel wird die Färbung der Flügel eines Schmetterlings der Gattungen Callophrys, Parides und Cyanophrys durch Kreiselstrukturen erzeugt - zweikomponentige interkontinuierliche Medien, die nur Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektieren. Auch hier kann man sich an unserer Näherungsformel λ ≈ 2 × 1, 6 × L orientieren, aber dafür ist es zunächst am dreidimensionalen Gitter des photonischen Kristalls notwendig, die Netzebenenabstände zwischen den Schichten, die sich je nach Ausrichtung der Struktur unterscheiden. Daher wird es mehrere Farben geben. So sieht zum Beispiel das Flügel-Mikrorelief von Cyanophrys remus aus (Abbildung A ist eine Draufsicht des Flügels, Abbildung B ein Querschnitt). Welche Farben werden typisch für den Flügel dieses Schmetterlings sein?

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1. rot und gelb
2. Grün, Blau und Blau
3. Blau und Lila
4. Rot, Orange und Grün

Richtig

Tatsächlich können Sie für eine ungefähre Schätzung die Formel λ ≈ 2 × 1, 6 × L verwenden, aber Sie müssen hier herausfinden, was L ist. Das Foto zeigt, dass der photonische Kristall eine kubisch flächenzentrierte Zelle hat. Die Periode dieses Gitters beträgt ungefähr 470 Nanometer. Darin gibt es je nach Richtung drei verschiedene Interplanarabstände: 2 mal weniger als die Periode (235 Nanometer), 4 / √ 3 mal weniger (200 Nanometer) und 2 2 mal weniger (170 Nanometer). Diese Abstände entsprechen Wellenlängen von 750, 640 und 540 Nanometern – also Rot, Orange und Grün.

Nicht richtig

Tatsächlich können Sie für eine ungefähre Schätzung die Formel λ ≈ 2 × 1, 6 × L verwenden, aber Sie müssen hier herausfinden, was L ist. Das Foto zeigt, dass der photonische Kristall eine kubisch flächenzentrierte Zelle hat. Die Periode dieses Gitters beträgt ungefähr 470 Nanometer. Darin gibt es je nach Richtung drei verschiedene Interplanarabstände: 2 mal weniger als die Periode (235 Nanometer), 4 / √ 3 mal weniger (200 Nanometer) und 2 2 mal weniger (170 Nanometer). Diese Abstände entsprechen Wellenlängen von 750, 640 und 540 Nanometern – also Rot, Orange und Grün.

Herzlichen Glückwunsch, Ihr Ergebnis: aus

Entomologe Sie kennen sich sehr, sehr gut mit Schmetterlingen aus, aber warum sollten Sie all diese Perioden zählen, wenn Sie bereits alles verstehen?

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Materialwissenschaftler Du interessierst dich sehr für Materialien mit außergewöhnlichen optischen Eigenschaften – Schmetterlinge erscheinen dir daher als wunderbares Forschungsobjekt

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Herzlichen Glückwunsch, Ihr Ergebnis: aus

Sammler Du interessierst dich für Schmetterlinge, fängst sie aber lieber und steckst sie fest, anstatt die Nanostruktur ihrer Flügel zu studieren

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Schmetterling Dein Leben ist kurz, dein Aussehen ist schön und du hast einfach kein Werkzeug, um die Nanostruktur deines eigenen Flügels zu sehen

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