Rätsel um strahlend weiße Garnelen gelöst – Physics World

Forscher in Israel haben die einzigartige optische Nanostruktur entdeckt, die einem Meeresaasfresser seine strahlend weiße Farbe verleiht. Ein Team unter der Leitung von Benjamin Palmer von der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel zeigte mithilfe verschiedener Bildgebungstechniken, dass kugelförmige Partikel in Pazifischen Putzergarnelen einfallendes Licht in alle Richtungen streuen und dabei jegliche Überlappung der von ihnen erzeugten Streumuster vermeiden. Die Entdeckung könnte zu neuen bioinspirierten Weißpigmenten führen.

Viele Organismen haben die Fähigkeit entwickelt, Licht auf einzigartige und faszinierende Weise zu manipulieren. Die Nachahmung dieser Mechanismen hat Forscher zu neuen Designs für mehrere optische Geräte geführt, darunter Linsen und Spiegel. Strukturen wie Schmetterlingsflügel und Vogelfedern haben ebenfalls zu neuen Beschichtungen inspiriert, die durch das von ihren Nanostrukturen gestreute Licht lebendige Farben erzeugen.

Bisher erwies es sich jedoch als besonders schwierig, eine Farbe mit diesen strukturellen Mitteln herzustellen – also ohne den Einsatz chemischer Pigmente. „Eines der faszinierendsten Probleme ist die Suche nach Alternativen zu den anorganischen Materialien, die weißen Farben und Lebensmittelfarben ihre weißlichen Farbtöne verleihen“, erklärt Teammitglied Dan Oron vom Weizmann Institute of Science. „Das liegt daran, dass das in diesen Produkten am häufigsten verwendete anorganische Material – nanokristallines Titandioxid – im Verdacht steht, schädlich zu sein.“

Optische Engpässe überwinden

Der Kern des Problems besteht darin, dass Photonen aller optischen Wellenlängen zur Erzeugung weißer Farbtöne mehrfach gestreut werden müssen, sodass sie ihre Richtungsinformation vollständig verlieren. Dazu müssen die für die Streuung verantwortlichen Nanostrukturen sehr dicht gepackt sein. Eine solche dichte Packung führt jedoch zum Problem der „optischen Verdrängung“, bei der sich Streumuster überlappen, wodurch sich das Gesamtreflexionsvermögen der Streustruktur verringert.

Trotz dieser Herausforderungen hat ein Tier bewiesen, dass die Komplexität optischer Engpässe nicht unüberwindbar ist. Die Pazifischen Putzergarnelen, die Korallenriffe in den Tropen bewohnen, sind leicht an der auffälligen weißen Färbung ihrer Fühler, Nagelhaut, Schwanz und Kiefer zu erkennen, die bis zu 80 % des einfallenden Lichts reflektieren.

Erweiterte Bildgebung und Simulation

In ihrer Studie konzentrierten sich Palmer und Kollegen auf Nanostrukturen in den Chromatophorzellen der Putzergarnelen, die bekanntermaßen für deren strahlend weißen Farbton verantwortlich sind. Mithilfe einer Kombination aus Kryo-Elektronenmikroskopie und optischer Bildgebung charakterisierten sie die Struktur, Organisation und optischen Eigenschaften der kugelförmigen Partikel, die die Streuschicht innerhalb der Zellen bilden. Sie verwendeten auch numerische Simulationen der Ausbreitung elektromagnetischer Felder, um die optische Reaktion des Streumediums als Ganzes zu verstehen.

Die Analyse des Teams ergab, dass diese Partikel dank der einzigartigen Struktur und Anordnung der flachen Moleküle, aus denen ihre Bausteine ​​bestehen, Licht in viele Richtungen streuen. „Die Partikel sind flüssigkristalline Anordnungen dieser planaren Moleküle“, erklärt Oron. „Alle diese Moleküle sind so angeordnet, dass ihre flache Seite senkrecht zum Kugelradius steht.“

Insgesamt wird durch diese Struktur der Materialaufwand erheblich reduziert, der erforderlich ist, um den Fühlern und Bändern der Garnele ein weißes Aussehen zu verleihen. Dies ermöglicht es den Chromatophorzellen der Putzergarnelen, die Auswirkungen optischer Verdrängung zu eliminieren und gleichzeitig die Polarisation einfallender Photonen zu verfälschen, wenn diese von den Partikeln gestreut werden – wodurch ihre Richtungsinformationen zerstört werden. „In gewisser Weise führt diese optische Anisotropie dazu, dass das Kugelensemble das Licht streut, als bestünden sie aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als sie tatsächlich haben“, erklärt Oron.

Sicherere weiße Farben und Lebensmittelfarben

Die Ergebnisse sind ein gutes Beispiel dafür, wie evolutionäre Lösungen von Organismen wie der Putzergarnele zu optimierten Technologien inspirieren können. Durch die Nachahmung des Mechanismus der optischen Anisotropie bei Garnelen hofft Palmers Team, dass Forscher in zukünftigen Studien fortschrittliche, ultraweiße organische Nanostrukturen entwickeln können, die sicher für die Verwendung in Produkten wie Farben und Lebensmittelfarben geeignet sind.

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„Generell deuten die Ergebnisse auf die Rolle hin, die eine starke optische Anisotropie als Designparameter bei der Konstruktion künstlicher optischer Geräte spielen kann, vorausgesetzt, wir können das Wachstum ähnlicher kristalliner Anordnungen der richtigen organischen Moleküle beherrschen“, schließt Oron.

Die Forschung ist beschrieben in Nature Photonics.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/