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Donnerstag, 26.05.2016
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Schmetterling liefert Vorbild für Infrarotsensor

Nanoschuppen reagieren auf Wärme mit Farbveränderung

Ein Schmetterling hat US-amerikanische Forscher zu einer neuen Art von Infrarotdetektor inspiriert. Dessen nanostrukturierte Flügel reagieren auf Wärmestrahlung mit einer Farbänderung. Indem man das Prinzip nachahme oder sogar noch verbessere, ließen sich Sensoren bauen, die schneller, kleiner und empfindlicher seien als die heutigen Detektoren, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin "Nature Photonics".
Das schillernde Blau der Morpho-Flügel beruht auf Nanostrukturen

Das schillernde Blau der Morpho-Flügel beruht auf Nanostrukturen

Tierisches Vorbild von Andrew Pris und seinen Kollegen vom General Electric Global Research Center in New York ist der südamerikanische Morpho-Schmetterling. Seine Flügel schimmern metallisch grün-blau; diese Farbe kommt durch viele übereinanderliegende Strukturlamellen zustande, die das einfallende Licht mehrmals reflektieren. Aber Morpho kann noch mehr: "Unsere Experimente zeigen, dass die komplexe Gestalt des Morpho-Schmetterlingsflügel optisch auf Temperatur reagiert", schreiben die Wissenschaftler.

Verantwortlich dafür sei größtenteils die thermische Ausdehnung von Luft im Schmetterlingsflügel: Wenn Infrarotstrahlung auf den Flügel falle, dehne sich die Luft innerhalb der Nanostrukturen aus. Alleine durch diese leichte Größenänderung in den Strukturen, verändere sich die Farbe sichtbar. Außerdem komme es durch die Infrarotstrahlung zu einer Veränderung des Brechungsindex. "Die Struktur des Morpho-Schmetterlingsflügel könnte das Design eines künstlichen Sensors mit verbesserter Empfindlichkeit und räumlicher Auslösung inspirieren", heißt es in "Nature Photonics". Man könnte auch einen Sensor entwerfen, bei dem verschiedene Elemente unterschiedliche Infrarotwellenlängenbereiche absorbieren.

Nanoröhrchen verbessern die Natur


Die Forscher gaben sich nicht damit zufrieden, die Schmetterlingsflügel nur zu testen und das dahinterstehende Prinzip zu verstehen. Sie verbesserten seine Eigenschaften mit künstlicher Nanotechnik noch weiter. Dafür brachten sie Kohlenstoffnanoröhren auf den Schuppen des Flügels an, winzige röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff. Sie machten den Wärmeübergang von Infrarotstrahlung und Strukturen auf dem Flügel effizienter. Für einen technischen Sensor ist das wichtig, damit die Wärme gut vom Messgeber abgeleitet wird. Mit den so manipulierten Flügeln konnten die Forscher Temperaturunterschiede von nur 18 bis 62 Tausendstel Grad Celsius messen. (Nature Photonics, 2012; doi: 10.1038/nphoton.2011.355)
(Nature.com, 13.02.2012 - BOS)