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Strukturfarbe

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Wie macht der Kohlweißling sein Weiß?

Immer wenn ich den Kohlweißling (Pieris rapae) beobachte, bin ich von seinem makellosem Weiß und dem effektvoll kontrastierenden schwarzen Punkt auf seinen Flügeln beeindruckt. Nachdem ich mir an einigen anderen Beispielen (z.B. hier und hier) klar gemacht habe, dass hinter der Weißheit meist keine Licht absorbierenden Pigmente, sondern andere physikalische Vorgänge stehen, bin ich der Sache etwas auf den Grund gegangen.
Farben von Gegenständen entstehen dadurch, dass sie von weißem Licht, z.B. Sonnenlicht, bestrahlt werden, mit dem Licht in Wechselwirkung treten und die nicht absorbierten Anteile wieder ausstrahlen. Die Wechselwirkungen bestehen zum einen darin, dass Pigmente einzelne Wellenlangen des weißen Lichts absorbieren und die Komplementärfarbe als Farbe des Gegenstands wieder aussenden. Zum anderen können sie aber auch von der Struktur des Gegenstands mitbestimmt werden, indem das einfallende Licht durch Interferenz, Beugung und/oder Streuung modifiziert wird. Dabei spielen strukturelle Variationen der Materialien eine entscheidende Rolle.
Bei der Farbentstehung der Schmetterlingsflügel spielt die Struktur der Schuppen, die nach einem allgemeinenen Bauplan in einem mehr oder weniger regelmäßigen Muster angeordnet sind, eine wichtige Rolle.  Die Struktur der weißen Flügelschuppen des Kohlweißlings unterscheidet sich in charaktereistischer Weise von der anderer Schmetterlinge. An rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen* erkennt man, dass die Kreuzrippen dicht mit eiförmigen Perlen verziert sind. Diese Perlen streuen das einfallende Licht in alle Richtungen und erhöhen das Reflexionsvermögen der Flügel für alle Wellenlängen, sodass ein kräftiges Weiß entsteht (siehe untere Abbildung rechts). Im Bereich des charakteristischen schwarzen Flecks des Schmetterlings fehlen diese Perlen, sodass das einfallende Licht weitgehend absorbiert wird und er schwarz erscheint (untere Abbildung links).
Weitere Mechanismen für die Erzeugung der Farbe Weiß in der Natur findet man z.B. beim Schnee, der Blüte des Buschwindröschens und der Schneebeere.


Quelle
* Stavenga D.G., Stowe S., Siebke K., Zeil J. und Arikawa K.. Butterfly wing colours: scale beads make white pierid wings brighter. Proc. Roy. Soc. Lond. B 271 (1548), 1577–1584 (2004)

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Sonnenmalerei – Samaria I

Das Sonnenlicht lässt sich durch optische Vorgänge wie Reflexion, Brechung, Beugung u.ä. ohne weitere Einwirkung in farbige Strukturen verwandeln, die man dem ansonsten langweilig weißen Licht kaum zutraut. Im Anschluss an den Künstler Paul Konrad Hoenich (1907 – 1997), der sich vor allem mit reflektiertem Sonnenlicht befasst hat, ordne ich diese Strukturen (siehe Abbildung) der Sonnenmalerei zu. Hoenich weist darauf hin, dass der Künstler bei der Technik der Sonnenmalerei „die Art und Qualität der Projektion (des Sonnenlichts) bestimmt, die einzelnen Bilder aber nicht im voraus festlegen kann.“
Im vorliegenden Fall habe ich einen Schnitt durch ein mit Hilfe eines CD-Rohling erzeugtes Axicon auf einem weißen Blatt Papier aufgezeichnet.

Am Rande des schwarzen Lochs…

… ergeht sich die Natur noch einmal in den schönsten Spektralfarben, sortiert nach der Wellenlänge des Lichts. Könnte man angesichts des Fotos meinen – aber es ist viel profaner. Als ich im Anschluss an eine größere Feier die Warmhaltebehälter reinige, fällt mir auf, dass die von den Flammen der Brennpaste berußten Stellen von brillanten Farbringen umgeben sind. Wie entsteht eine solche Kolorierung? Weiterlesen

Farbige Spagettikunst im Kochtopf

Als ich den Kochtopf aus dem Schrank holte, traute ich meinen Augen nicht. Die Innenseite des Bodens war mit metallisch glänzenden Farben und schlangenartigen Girlanden bedeckt. Dabei hatte ich ihn vor einer Woche gründlich abgewaschen. Ein Freund, dem ich das zeigte, erkannte sofort, dass ich ihn „nur“ per Hand gereinigt hatte. Die Geschirrspülmaschine würde aufgrund ihrer starken Chemikalien solche Auswüchse beseitigen. Schade für die Benutzer von Geschirspülmaschinen, dachte ich, denen entgeht doch eine ganze Kunstrichtung… Weiterlesen

Joyas vivas

H. Joachim Schlichting. Investigación y cienca 8 (2017), p. 82 – 83

Numerosos insectos resplandecen a la luz del sol con un brillante color metálico. Este no proviene de pigmentos, sino de las delgadas estructuras nanométricas que componen el caparazón y las alas.

Muchos encuentran las moscas molestas y apenas se dignan a mirarlas. Quien, en cambio, se fija en ellas con atención descubre la riqueza de colores con que estos y otros insectos a menudo destacan en el entorno, como piedras preciosas que se arrastran y zumban. El efecto resulta tan convincente que, por ejemplo, a las moscas califóridas se las conoce popularmente como moscas verdes o azules. Su brillo a la luz del sol cambia en función de la perspectiva: si las contemplamos desde ángulos de incidencia pequeños, lucirán de dorado a verdoso; vistas de lado, sin embargo, dominarán las longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, los tonos azules.

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Wie Phönix aus der Seifenblase…

Phönix aus der SeifenblaseUm nicht zerplatzend in einige Tropfen zu zerfallen, wählt diese Seifenblase einen anderen Weg. Sie verwandelt sich – oder wird sie durch den Wunsch des Kindes verwandelt – in einen Vogel. Wir sind direkte Zeugen der wunderbaren Transmutation: der Vogel schaut rechts bereits erkennbar aus der Blase heraus. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Juni 2016

125_Seerosen_und_irisierende_Wolken_Juni_2016Welcher physikalische Unterschied besteht in der Farbentstehung der Seerose und des Wassers?

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Lebende Juwelen

GoldfliegeSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 5 (2016) S. 42

Im Sonnenlicht erstrahlen viele Insekten in buntem, metallischem Glanz. Er kommt nicht etwa von Farbpigmenten, sondern von dünnen Strukturen im Panzer und den Flügeln.

Ich kann nicht die Intensität erreichen, die
sich vor meinen Sinnen entwickelt, ich
besitze nicht jenen wundervollen Farbenreichtum,
der die Natur belebt.
Paul Cézanne (1839 – 1906)

PDF: Lebende Juwelen

Rätselfoto des Monats Dezember 2015

Farben feiner Risse

Ein Eisscholle mit einem Riss, der in Farben erstrahlt. Wie kommt es dazu?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Spannung im Spinnennetz

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