Schillern, strahlen, leuchten. Die Physikerin Ille Gebeshuber erzählt, wie es dazu kommt. Ausgestrahlt im ORF Österreich Radioprogramm Vom Leben der Natur, ab 30.01.2017.
Farben entstehen erst in unserem Kopf. Wir sehen mit Rezeptoren die Wellenlängen des Lichtes. Erst die Interpretation der Eindrücke im Gehirn “macht” die Farbe. Farben zu vergleichen ist schwierig, weil auch höhere Zentren im Gehirn zusammenspielen, um unsere Wahrnehmungen bunt zu machen.
Der “Sinn” von Farben ist in der Physik zu finden. Dunkle Oberflächen nehmen mehr Sonnenenergie auf, sie wärmen sich besser auf, als helle. Farben können auch der Kommunikation dienen: Warnfarben, Signalfarben, Lockfarben. Sie senden Nachrichten an alle Lebewesen in der Umgebung, die sie wahrnehmen können.
Unterschiedliche Farben können durch Mischungen von bestehenden Grundfarben entstehen. Dabei werden selbstleuchtende Körper von beleuchteten Körpern unterschieden. Im ersten Fall ergeben die Grundfarben Rot, Gelb und Blau das Weiß – das ist die additive Farbmischung. Im zweiten Fall ergeben die Grundfarben Cyan, Gelb und Magenta das Schwarz – das ist die subtraktive Farbmischung.
Farben können auch durch Strukturen von Oberflächen entstehen. Sie reflektieren das weiße Sonnenlicht in einer besonderen Weise: Durch die regelmäßigen Strukturen werden aus den Regenbogenfarben, aus denen das weiße Licht besteht, manche Farben herausgelöscht. Ein Farbeindruck entsteht, der sich je nach Sichtwinkel verändert, die Farben schillern. Weitere Beispiele für schillernde Farben sind auch die Farben von Dünnschichtsystemen, zum Beispiel von Seifenblasen.
Es gibt Schmetterlinge, die durch Veränderungen ihrer Oberflächen auch Farben und damit die Temperatur ihrer Oberflächen verändern. Technische Anwendungen könnten solche “Ideen” übernehmen, um zum Beispiel Fassadenfarben zu entwickeln, die eine passive Temperaturregelung von Häusers ermöglichen. Damit beschäftigt sich der Wissenschaftszweig der Bionik.
Es erzählt:
Associate Prof. Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Ille Gebeshuber
Atomic and Plasma Physics Group
Institut für Angewandte Physik, Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstr. 8-10/134, A-1040 Wien, Austria
Bionik
Transkript von Medina
Farben Bionik:
Bionik ist ein Wissenschaftszweig der sich damit beschäftigt von dem belebten Natur zu lernen für Anwendungen in der Technik, in der Architektur, in der Kunst und in der vielen weiteren Bereichen. Ein Beispiel ist der Transfer einiger interessanter Funktionaler Eigenschaften von Schmetterlingsflügeln die Struktur Farben aufweisen. Wenn man sich so einen blauen glänzenden Worfoschmetterling anschaut. Gehen sie mal ins Schmetterlingshaus da pflegen wunderbare schillernde Schmetterlinge durch die Gegend. Viele von denen haben Struktur basierte strahlende helle schöne Farben. Wenn man sich so anschaut, hat er nicht nur strahlende helle Farben, sondern durch den Regen fliegt sieht man auch noch das die Regentropfen abrinnen von schmetterlingsflügeln. Und zwar so dass sie nicht zum Körper des Schmetterlings.
Das haben sich im Laufe der Zeit Strukturen gebildet die eben dafür Sorgen das Wasser und schmutz Teilchen sehr schön abrennen und die Flügeln immer sauber und rein erscheint. Diese Strukturen sind in verschiedenen Größen Ordnungen. Die Strukturen die für die Farben zuständig sind, müssen im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts sein. Die Strukturen für die Wasser abrennt Charakteristik zuständig sind, sind bisschen größer Bereich Mikrometern. Nun kann man da diese ganzen Funktionalitäten rein durch die Strukturen und nicht durch das Material des Schmetterlingsflügels bedingt sind. Sich überlegen das mach dieses Strukturen abnimmt, kopiert und in anderen Materialien wieder erzeugt und dieselbe oder eine ähnliche Funktionalität zu erreichen.
Ich habe eine Dissertantin von der Akademie für Bildende Kunst und jetzt Künstlerin ist die sich unheimlich für Struktur Farben interessiert. Was sie jetzt wirklich geschafft hat ist dass sie eine Stempel hergestellt hat, das eine Material aus der Zahntechnik.
Das ist eine Material das sind die kleinsten, kleinsten, kleinsten Strukturen. Diese Struktur Farben eindringen kann und sie dann auch abformen kann, dann härtet aus. Und dann hat man diesen Gummi ähnlichen Meisterstempel. Wir bezeichnen ihn als Meisterstempel, weil er verwendet werden kann, um wiederholt Nano-Strukturen zu Stempeln.
Das können wir verwenden z.B. um Oberflächen zu funktionalisieren z.B. Wasser abrennt oder selbst Reinigungseffekte auf Fassaden erreiche, auf Fenstern erreichen, auf Wind Schutzscheiben zu erreichen. Um Oberflächen einzufärben mit strahlenden Farben und ja, ich bin ganz begeistert von Struktur Farben, weil auch ihnen eines diese bionischen Prinzipien realisiert ist. Das sich nennt Struktur statt Material, besonders in unserer Technischen Zukunft werden wir bevorzugt auf dieses Prinzip zurückgreifen, weil wir halt heutzutage sehr viele Giftige Materialen verwenden. Um Funktionalitäten die wir wollen zu erreichen. Und ich glaube in Zukunft werden wir viel öfters auf Intelligent strukturierte völlig ungefährliche Materialien zurückgreifen, anstatt auf unnachhaltige gewönne Materialien oder vielleicht giftige Materialien.
Farben im Regenwald
Transkript von Medina
Farben Regenwald:
Bei unseren Regenwald Expedition Malwesia sind mir sehr viele interessante Experte Bezug auf Farben aufgefallen. Eine meine Lieblingsfarne z.B. heißt „Selegenella Wildinowii“ und das ist ein Farn und der hat auf seine Oberfläche eine ganz dünne Schicht ungefähr 80 Nanometer dünn. Und die Farn wenn man den anschaut, der schaut aus also blau leuchtet also bei Licht eingebaut hätte. Wenn man sich diese Farne in die Hand nimmt und mal bewegt hin und her ändert sich die Farbe zwischen grün und blau. Wenn den dann abreißt und daheim auf Schreibtisch legt, verschwindet die blaue Farbe, es ist nur mehr grün. Wenn man dieses Blatt dann wieder einlegt ins Wasser, erscheint die blaue Farbe wieder. Weil nämlich durchs trocknen diese dünne Schicht so zusammen schrumpelt dass das blaue nicht mehr für die Menschen sichtbar ist. Die Biene die im ultravioletten sieht, sieht vielleicht noch ein bisschen blau auf diese Farboberfläche, aber wir Menschen nicht mehr. Wir sehen erst wieder wenn diese Struktur wieder aufschwellt.
Zweitens, unheimlich fasziniert hat, bei der Expeditionen im Regenwald Herkuleskäfer. Der Herkuleskäfer ist grün wenn die Sonne scheint und schwarz wenn es regnet. Der ändert seine Oberfläche Farbe auch wieder indem seine Nanostrukturen aufschwellen durch das Regenwasser und er seine Farbe dieser Struktur vom grünen ins schwarz verändert. Als grüner Käfer im dunklen Wald wenn es regnet ist, ist es ja dunkler, wäre leichter zur sehen Fressfeinde.
Ein drittes, was mir unendlich fasziniert hat ist der maleische Nationalschmetterling, der ein schwarzgrüner Schmetterling der seine schwarze Farbe und sie grüne Farbe durch Nanostrukturen erzeugt. Wenn man diese Schmetterlingsflügel in der Mörser tut und wieder die Strukturen so zerkleinert dass sie zerstört werden, entsteht Farblose Häufchen Staub. Das grün ist strahlend grün und wunderschön über meisten Blickwinkeln außer man schaut ganz, ganz schreck mit einem sehr hellen Lichtquellen dann erscheint der gelb, lila, blau alle Farben des Regenbogens. Und das schwarz R.B.B ist eine des faszinierendsten Oberflächen Strukturen, überhaupt jemals untergekommen sind. Weil nämlich der Schmetterling in seinem schwarzen Flügelbereich passive Temperatur Kontrolle macht. Das heißt der Schmetterlingsflügel ist nie kälter als X und nie heißer als Y. Er darf nicht kälter sein als X weil er sonst nicht fliegen kann und er darf nicht heißer sein als Y. Weil er ja, sonst eine Proteine würden, der wird einfach so wie Eiweiß ins ja Ei kocht erstarrt das Protein. So würden eben die Eiweiße im Schmetterlingskörper nicht mehr funktional sein. Und dieses X und Y diese zwei Parameter sind jetzt natürlich höchst interessant im Bezug auf Technische Anwendungen. Also wenn wir z.B. inspiriert von diesen Schmetterlingsflügel Fassaden Farben herstellen könnten oder auch nur Kleidung für die Menschen, die in der Wüste unterwegs sind. Würden wir uns unheimlich Energie aufwändig Temperatur kontrollieren Mechanismen ersparen. Wir bräuchten keine Heizung, wir bräuchten keine Kühlung. Wir könnten passiv die Temperatur in gewissen Bereich regeln.
Hintergrund:
Farben
Farbmischung
Transkript (Lilian Ashouri; Red.)
Ohne Licht gibt es ja keine Farbe. Physikalisch gesehen kann man bestimmte Farben gewissen Wellenlängen zuordnen. Das, was wir als Farbe wahrnehmen, kommt entweder von einem selbst leuchtenden Körper. Sie kennen sicher die Redewendung, „du bringst mich zur Weißglut“. Wenn ein Körper weiß leuchtet, ist er sehr, sehr heiß, wenn er rot leuchtet ist er nicht zu heiß, also entweder selbstleuchtende Körper, oder Körper die beleuchtet werden, zum Beispiel von weißem Sonnenlicht, die dann teilweise Licht absolvieren und Licht reflektieren, und je nachdem welche Anteile des Lichts absorbiert, verschluckt, oder reflektiert wird, erscheint dann die Farbe des Körpers, was wir betrachten.
Und wenn man weißes Sonnenlicht auf ein Prisma strahlen lässt, dann spaltet das Glas vom Prisma das Licht in seine verschiedenen Wellenlängen auf, und man sieht einen Regenbogen mit den schönsten Farben.
Es ist nämlich so, dass verschiedene Wellenlängen verschiedenen stark gebrochen werden in Glas und man deswegen schöne Regenbogenfarben sieht. Man kann sich also weißes Licht vorstellen als eine Kombination von verschiedenen Farben von Licht verschiedener Wellenlängen. Und wenn man jetzt kein weißes Licht hat, sondern zum Beispiel rotes Licht oder blaues Licht oder grünes Licht und das vermischt, man hat zum Beispiel eine Lampe, die leuchtet rot oder eine Lampe, die leuchtet grün und man hat diese Lichtkegel auf einem weißen Schild oder auf ein weißes Blatt Papier zum Beispiel und man bringt dieses rote Licht und dieses grüne Licht übereinander, erscheint auf einmal gelbe Farbe. Das ist jetzt eine gelbe Farbe, die entsteht aus der Mischung von rotem Licht und grünem Licht und das ist eben die sogenannte additive Farbmischung. Wenn ich alle drei Grundfarben zusammenbringe, rot, gelb, und blau, dann erscheint weißes Licht.
Ich habe gerade gesagt, wenn wir grünes und rotes Licht mischen, entsteht ein gelber Farbeindruck, es ist aber auch so, dass wir gelb sehen, wenn wir uns Licht einer Wellenlänge von ungefähr 580 Nanometer anschauen. Das heißt, das ist das Licht, in dem nur diese Wellenlänge vorkommt, das erscheint und als gelb aber auch die Mischung von Rot und Grün erscheint uns als gelb. Und da sieht man schon, wie schwierig es ist, wenn man sich mit Farben auseinandersetzt, weil man eben eine Mischung aus den physikalischen Grundlagen hat und den Verarbeitungen in Gehirn hat.
Stellen Sie sich ein Tier vor, das nur Rezeptoren für Grün hat aber nicht für Rot. Wenn man dem diese Mischung aus dem roten und grünen Licht zeigt, dann sieht es nur grün, weil es keinen Rezeptoren für Rot hat. Wir Menschen sehen aber gelb. Es ist physikalisch etwas andere, aber der Eindruck das gleiche.
Eine andere Art der Farbmischung ist die sogenannte subtraktive Farbmischung. Das kennen wir zum Beispiel aus unseren Kinderzeiten, wenn wir mit Wachmalkreiden gemalt haben, wenn wir eine gelbe Schicht mit einer blauen Schicht übermalt haben und dann in Endeffekt grün erhalten haben. Wenn wir alle Farben von den Wachsmalkreiden übereinander malen, erhalten wir Schwarz. Das ist eben ganz anders wie beim Regenbogen oder beim Licht, wo alle Wellenlängen miteinander weiß ergeben.
Also bei der subtraktiven Farbmischung geht es hauptsächlich darum, welche Anteile des Lichts verschlucken werden und welche in unser Auge kommen und dann die jeweiligen Farbeindruck erzeugen.
Sensoren
Polarisation
Strukturfarben
Transkript von Manuel Gössl
Also einer der eindrucksvollsten Erlebnisse in meiner Forschungskarriere war, als ich Strukturfarben kennenlernte. Ein Freund von mir ist in mein Büro gekommen und hat gesagt, Inge es gibt Schmetterlinge, die machen ihre Farben nicht durch Pigmente, sondern durch kleinste Strukturen, die wie Christbäume aussehen. Ich habe mich dann vor den Computer gesetzt und einen Internet Search gemacht, da habe ich mir diese farberzeugenden Nanostrukturen angesehen und dadurch eine Wunderwelt betreten. Ich bin darauf gekommen, dass viele Schmetterlinge durch Strukturen ihre Farben erzeugen, aber auch Käfer, Pflanzen und Tiere, wie Pfauen oder Tauben. Das Schöne an diesen Strukturfarben ist, die entstehen durch periodische, regelmäßige Strukturen, die so klein sind, dass man sie mit dem freien Auge nicht sehen kann. Wenn man sich zum Beispiel eine Pfauenfeder ansieht, schillert die in allen Farben, je nachdem in welchem Blickwinkel man draufschaut. Es gibt aber auch Bereiche mit strahlend blauen Farben oder metallischen Farben. Wenn man diese Pfauenfeder im Mörser zerkleinert, bleibt nichts über als ein farbloser schwarzer Staub, weil eben die Farben durch kleinste Strukturen erzeugt werden. Auch viele Schmetterlinge machen das auf diese Art und Weise, aber nicht alle. Der Vorteil von diesen Strukturfarben ist, es wird mit dem Licht gespielt und sehr wenig vom Licht wird absorbiert (absorbiert heißt verschluckt). Und im Gegensatz zu Pigment passierten Farben, sind Strukturfarben viel strahlender, viel heller, viel Schöner, viel eindrucksvoller. Erinnern Sie sich, als Sie ein Kind waren und mit Seifenblasen gespielt haben, wie wunderschön, diese Seifenblasenfarben waren. Und wie schön es ist, wenn sich die Farbe einer Seifenblase sich ändert, wenn der Seifenfilm immer dünner und dünner wird, bis sie schlussendlich zerplatzt. Strukturfarben heißen auch Schillerfarben und irisierende Farben. Iris ist die Göttin des Regenbogens, aus der griechischen Mythologie. Es sind nicht alle Strukturfarben Schillerfarben, also viele Tiere haben auch Methoden entwickelt um Strukturfarben herzustellen, die über eine große Bandbreite des Blickwinkels eine Farbe darstellen. Im einfachsten Beispiel sind Schillerfarben, die Farben von Dünnschichtsystemen, wie Seifenblasen. Wo, wenn man den Blickwinkel ändert, man die Dicke des Seifenfilmes, durch den das Licht durchstrahlt, ändert und dadurch ändert sich auch die wahrgenommene Farbe. Wenn man sich die Formal anschaut, für die Indifferenz Erscheinung, dann sind die Parameter, der Brechungsindex des Wasserfilmes und Dicke des Wasserfilmes. Wenn man jetzt gerade draufschaut hat er 300 Nanometer und wenn man schräg draufschaut, dann hat er 400 Nanometer.
Über das Chamäleon gibt es jedes Jahr Publikationen, immer wieder gibt es neue Erkenntnisse wie sie ihre Farbe machen. Eine der neuesten Arbeiten beschäftigt sich damit, dass diese kleinen Chromophoren, sich in der Größe verändern, dass diese regelmäßig angeordnet sind und auch über Strukturen die Farbe des Chamäleons erzeugen. Chromophoren sind farbgebende Einheiten in der Haut des Chamäleons, die dann aber auch über die Strukturen die Farben erzeugen, also eine Kombination aus Pigment passierten und Strukturfarben. Beim Chamäleon ist noch viel zu erforschen und draufzukommen…
Audios und Foto: Ille Gebershuber, Audio-Bearbeitung: Lothar Bodingbauer
