Schillerndes Blau einer tropischen Beere diente als Strukturvorbild des neuartigen Materials Chamäleon-Faser wechselt bei Dehnung die Farbe - scinexx | Das Wissensmagazin
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Schillerndes Blau einer tropischen Beere diente als Strukturvorbild des neuartigen Materials

Chamäleon-Faser wechselt bei Dehnung die Farbe

Je nach Dehnung verändert die neue Faser ihre Farbe © Mathias Kolle

Eine schillernde Beere ist Vorbild für eine neuartige, „smarte“ Faser. Das nach natürlichem Vorbild konstruierte Material irisiert ähnlich auffallend wie die Beere, wechselt aber je nach Dehnung ihre Farbe. Um diese Faser zu erzeugen, analysierte ein internationales Forscherteam zunächst die Nanostruktur in der Beerenhaut und übertrug sie auf ein elastisches Fasermaterial. Eingesetzt werden könnte die „Chamäleon-Faser“ beispielsweise für Kleidung, aber auch als Dehnungssensor, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Advanced Materials“ berichten.

In der Natur haben viele Pflanzen und Tiere die Technik entwickelt, durch spezielle Nanostrukturen auffallende, schillernde Farbeffekte hervorzurufen. Vor allem bei Früchten und Samen von Pflanzen lohnt sich dies, denn sie locken damit Tiere an, die sie dann verbreiten. Ein Beispiel für eine solche Anpassung ist die in den südamerikanischen Tropen vorkommende Pflanze Margaritaria nobilis. Sie besitzt extrem intensiv blau-grün schillernde Beeren, die zwar kaum Nährstoffe enthalten, aber wegen ihrer Farbe dennoch regelmäßig von Vögeln gefressen und verbreitet werden.

Nanostruktur bricht und beugt das Licht

„Die Licht manipulierende Architektur ihrer Oberflächenschichten hat uns dazu inspiriert, dies für eine technologische Anwendung zu übernehmen“, erklärt Studienleiter Peter Vukusic von der University of Exeter. Er und seine Kollegen analysierten dafür zunächst die Struktur der Beerenhaut. Wie sie feststellten, enthalten die obersten Zellen der Haut eine sich wiederholende, gekrümmte Struktur, die das Licht so bricht, dass eine Interferenz auftritt. Ähnlich wie bei der irisierenden Hülle einer Seifenblase erzeugt dies ein schillerndes Farbenspiel. Weitere Zellen der Beerenhaut bestehen aus zylindrische, sehr regelmäßigen Strukturen, die ebenfalls das Licht auf bestimmte Weise beugen und brechen.

Diese Beere der tropischen Pflanze Margaritaria nobilis © Peter Vukusic

Die Forscher replizierten diese biologischen Strukturen, um daraus eine flexible, dehnbare Faser zu erzeugen. „Für unsere künstliche Struktur haben wir die Komplexität der Beere auf ihre Grundelemente reduziert“, erklärt Koautor Mathias Kolle von der Harvard University in Cambridge. Diese Grundstruktur entwickelten die Forscher einen Schritt weiter: „Die Pflanze kann ihre Farbe nicht wechseln“, sagt Kolle. „Indem wir aber ihre Struktur mit einem elastischen Material kombinierten, haben wir eine künstliche Version produziert, die durch einen ganzen Regenbogen an Farben wechselt, wenn sie gedehnt wird.“

Gewickelt und superelastisch

Die Chamäleon-Faser besteht im Prinzip aus einem dünnen elastischen Kern, um den eine Doppelschicht aus Polymer gewickelt ist. „Das gibt uns den nötigen Brechungsindex, die richtige Anzahl von Schichten und den gekrümmten, zylindrischen Querschnitt, den wir benötigen, um diese leuchtenden Farben zu erzeugen“, sagt Kolle. Der Prozess, über den die Faser erzeugt wird, sei zudem bestens geeignet für eine Produktion im großtechnischen Maßstab.

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Anwendungen gäbe es für die neuartige Faser einige, meinen die Forscher. Denn die Faser besitze hervorragende mechanische Eigenschaften. Sie könnte beispielsweise für Sportbekleidung verwendet werden, und dann ja nach Muskelanspannung die Farbe wechseln. Oder als Sensormaterial, das Zugbelastung anzeigt. Durch seine Flexibilität könnten Stoffe, aus diesen Fasern gewebt, jede beliebige Form annehmen. (Advanced Materials, 2013; doi:10.1002/adma.201203529)

(Harvard University, 30.01.2013 – NPO)

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