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Physik im Alltag und Naturphänomene

Nicht alles was glänzt, ist Gold

Diese Feststellung William Shakespeares (1564 – 1616) passt sehr gut zur Goldwespe (Chrysis ignita oder Hedychrum rutilans?), deren faszinierende äußere Erscheinung (Fotos) so gar nicht zu ihrer – nach menschlichen Maßstäben – brutal parasitären Lebensweise zu passen scheint. Ihre Farben sind nicht nur glänzend wie poliertes Metall, sie changieren irisierend, wenn man sie aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet.
Weder der metallische Glanz noch der Farbwechsel beim Verändern des Blickwinkels gehört zu den Erfahrungen, die man normalerweise mit den Farben eines Gegenstands verbindet. Denn sie entstehen normalerweise durch die Anwesenheit chemischer Pigmente. Diese absorbieren bestimmte Farben (Wellenlängen) des weißen Lichts und reflektieren die entsprechende Komplementärfarbe. Verschiedene Pigmente rufen verschiedene Farben hervor. Beispielsweise verdanken Pflanzen ihre grüne Farbe dem Chlorophyll und die unterschiedlichen Brauntöne der menschlichen Haut und des Haares hängen von der Konzentration des Pigments Melanin ab.
Demgegenüber haben wir es hier vor allem mit Farben zu tun, die durch Interferenz des Lichts infolge vielfacher Reflektionen innerhalb einer mikroskopisch feinen Oberflächenstruktur hervorgebracht werden. Daher spricht man auch von Strukturfarben. Manchmal treten Pigment- und Strukturfarben auch gemeinsam auf; dann sieht man als Ergebnis die entsprechenden Mischfarben. Wird also beispielsweise eine blaue Interferenzfarbe durch die spezielle Struktur der Oberfläche eines Objekts erzeugt, das gelbe Pigmente enthält, so ergibt sich durch additive Farbmischung eine grüne Tönung.
Strukturfarben lassen sich nicht im Rahmen der Strahlenoptik beschreiben. Indem das Licht mit Strukturen der Größenordnung seiner Wellenlänge wechselwirkt, werden allein schon dadurch die Intensität und die Farbsättigung verändert. Im einfachsten Fall kann bereits eine dünne transparente Schicht, wie beispielweise die transparenten Flügel  (siehe oberes Bild) unter bestimmten Bedingungen Farben annehmen, die gewissermaßen aus dem Nichts zu kommen scheinen.
Genauer: Das auf die sehr dünnen, durchsichtigen Flügel auftreffende Licht wird beim Übergang in den Flügel nicht nur dem unterschiedlichen Brechungsindex zwischen Luft und dem Flügelmaterial entsprechend gebrochen, sondern auch teilweise reflektiert. Dabei tritt ein Gangunterschied von einer halben Wellenlänge auf. Anschaulich gesprochen werden die Wellenberge und –täler um eine halbe Wellenlänge verschoben. Der nicht reflektierte Teil des Lichts durchdringt den Flügel und trifft auf die untere Grenzschicht zwischen Flügel und Luft. Es wird dort abermals teils durchgelassen und teils reflektiert. Der reflektierte Teil des Lichts läuft zurück in dieselbe Richtung wie die an der oberen Grenzschicht reflektierte Welle und überlagert sich im Auge oder auf dem Chip der Kamera mit ihr (linke Skizze).
Wegen des Gangunterschieds, den die eine Teilwelle erfährt und des längeren Weges den die andere Teilwelle zurücklegen muss, stellt sich zwischen beiden Teilwellen eine Phasenverschiebung ein. Das macht sich bei ihrer Überlagerung anschaulich gesprochen darin bemerkbar, dass die Wellenberge gegeneinander verschoben werden, wodurch in Abhängigkeit von der Flügeldicke, dem Brechungsindex des Flügelmaterials, dem Einfallswinkel und der Wellenlänge des Lichts ein neuer Farbeindruck entsteht.
Wenn die Phasenverschiebung der sich überlagernden Teilwellen gerade der Wellenlänge des Lichts entspricht, werden die Berge erhöht und die Täler vertieft. Das ist genau dann der Fall, wenn die optische Dicke der Schicht ein Viertel der Wellenlänge beträgt. Denn dann summieren sich der doppelte Weg durch die Schicht und der Gangunterschied bei der oberen Reflexion gerade zu einer Wellenlänge. Bei einer solchen konstruktiven Interferenz macht sich das in einer Zunahme der Helligkeit der entsprechenden Farbe bemerkbar. Andere Wellenlängen werden teilweise oder ganz ausgelöscht (destruktive Interferenz).
Bei weißem Licht, das alle Farben enthält, wird daher an einer bestimmten Stelle des Flügels unter einem bestimmten Betrachtungswinkel nur eine Farbe zu sehen sein. Folglich lassen die unterschiedlichen Farbstreifen auf den Flügeln Rückschlüsse auf die variierende Flügeldicke zu.
Die metallisch glänzende, zwischen Rot, Grün und Blau changierende Farbe des Insektenrumpfes ist ebenfalls eine Strukturfarbe. Das mag auf den ersten Blick verwundern, ist doch der Rumpf weder transparent noch dünn. Aber die Oberfläche des Rumpfes der Goldwespe besteht aus einer geordneten Abfolge paralleler Chitinschichten, die durch noch dünnere Luftschichten getrennt sind. Die Luftschichten verdanken sich den Unregelmäßigkeiten der Chitinschichten, die wie winzige Abstandshalter wirken.
Wenn dieser Stapel von gleich dicken Schichten vom Licht durchstrahlt wird, trägt jede von ihnen zur konstruktiven Interferenz bei, wie man sich an der stark vereinfachten grafischen Darstellung klarmachen kann. Infolgedessen strahlt der Rumpf noch stärker gesättigte und intensivere Farben aus, als es bei einer einzelnen dünnen Schicht und erst recht bei Pigmentfarben möglich ist. Durch Variation der Dicke der Chitinschichten an verschiedenen Körperstellen werden zudem unterschiedliche Farben aus dem Spektrum des weißen Lichts durch konstruktive Interferenz verstärkt und lassen das Insekt mehrfarbig erscheinen.
Die Strukturfarben von Insekten und anderen Tieren werden in den letzten Jahrzehnten sowohl von Physikern wie auch von Biologen intensiv untersucht. Das Motiv besteht nicht nur darin, die Funktion für das Leben der Tiere genauer zu verstehen, sondern auch darin, von der Natur für technische Innovationen zu lernen.

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Diskussionen

4 Gedanken zu “Nicht alles was glänzt, ist Gold

  1. Sehr instruktiv wieder! Zwar hattest Du das Thema schon mehrfach behandelt, aber gerade die Wiederkehr des Themas, in leicht anders zusammengestellter Schau, befüttert das Verständnis.
    Man fragt sich auch, wieso der Rumpf aus Schichten besteht. Aus Stabilitätsgründen, um Gewicht zu sparen?
    Desweiteren haben die Interferenzen ja auch eine weitere biologische Funktion. Sie zeigen sich nach aussen, für alle Lebewesen mit Sehsinn. Was erfahren diese Lebewesen, was ziehen sie für Rückschlüsse?
    Auffällig wird diese Goldwespe schon sein. Räuber werden diese Auffälligkeit zumindest aber so wahrnehmen, daß sie sich nicht als leichtes Opfer dartun. Eine Aufganbe der Mimikry kann ja auch sein, den Räuber zumindest kurzfristig zu verwirren, um Zeit für die Flucht zu erhalten.

    Verfasst von kopfundgestalt | 25. Juni 2020, 10:41
    • Als aufmerksamer Leser meiner Beiträge hast du natürlich richtig festgestellt, dass ich das Thema schon mehrfach in ählicher Form behandelt habe. Bei – aus meiner Sicht – wichtigen Themen halte ich das für gerechtfertigt, weil doch immer wieder geringe Unterschiede bestehen oder es um andere Beispiele geht.
      Was deine konkrete Frage betrifft, so denke ich dass neben den von dir genannten Stabilitäts- und Gewichtsgründen auch thermodynamische insbesondere wärmetechnische Aspekte eine Rolle spielen. Du hast selbst angesprochen, dass für einen Räuber die Auffälligkeit an sich ja kontraproduktiv ist. Daher muss man vielleicht auch fragen, ob die für uns auffälligen Farben auch von den betroffenen Insekten auch so gesehen werden.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 25. Juni 2020, 11:29

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