Forscher leihen sich Tricks im Nanomaßstab aus Vogelfedern, um neue Lasertypen zu entwickeln, die sich durch natürliche Prozesse zusammensetzen können.
Forscher der Yale University untersuchen, wie zwei Arten von nanoskaligen Strukturen auf den Federn von Vögeln brillante und unverwechselbare Farben erzeugen. Die Forscher hoffen, durch die Anlehnung dieser nanoskaligen Tricks an die Natur neue Lasertypen herstellen zu können, die sich durch natürliche Prozesse selbst zusammensetzen können.
Hierbei handelt es sich um einen Netzwerklaser auf Federbasis mit kanalartiger Nanostruktur. Dieser Laser besteht aus der Verbindung von Nanokanälen (weiß) in einer Halbleitermembran. (Maßstab = 2 Mikrometer) Mit freundlicher Genehmigung des Hui Cao Research Laboratory / Yale University
Unsichtbar kleine Strukturen im Nanomaßstab werden in Nanometern gemessen. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter. Wenn die Dinge so klein sind, können Sie sie weder mit Ihren Augen noch mit einem Lichtmikroskop sehen. Für so kleine Objekte ist ein spezielles Werkzeug erforderlich, das als Rastersondenmikroskop bezeichnet wird
Viele der in der Natur dargestellten Farben entstehen durch nanoskalige Strukturen, die das Licht bei bestimmten Frequenzen stark streuen. In einigen Fällen erzeugen diese Strukturen ein Schillern, bei dem sich die Farben mit dem Blickwinkel ändern - wie die sich bewegenden Regenbogen auf einer Seifenblase. In anderen Fällen sind die von den Strukturen erzeugten Farbtöne gleichmäßig und unverändert. Der Mechanismus, mit dem winkelunabhängige Farben erzeugt werden, hat Wissenschaftler seit 100 Jahren überrascht
Mit freundlicher Genehmigung von Ken Thomas
Auf den ersten Blick schienen diese stetigen Farbtöne durch ein zufälliges Durcheinander von Proteinen hervorgerufen worden zu sein. Als die Forscher jedoch jeweils auf kleine Teile des Proteins zoomten, tauchten quasi geordnete Muster auf. Die Wissenschaftler stellten fest, dass es diese Nahbereichsordnung ist, die Licht bevorzugt bei bestimmten Frequenzen streut, um beispielsweise die charakteristischen Farben der Flügel einer Drossel zu erzeugen.
Inspiriert von Federn haben die Yale-Physiker zwei Laser entwickelt, die diese Nahbereichsordnung zur Steuerung des Lichts verwenden.
Was diese kurzreichweitig geordneten, bioinspirierten Strukturen von herkömmlichen Lasern unterscheidet, ist, dass sie sich im Prinzip durch natürliche Prozesse, die der Bildung von Gasblasen in einer Flüssigkeit ähneln, selbst zusammensetzen können. Dies bedeutet, dass sich die Ingenieure nicht um die Nanofertigung der großflächigen Struktur der von ihnen entworfenen Materialien kümmern müssen, was zu einer billigeren, schnelleren und einfacheren Herstellung von Lasern und lichtemittierenden Bauelementen führt.
Dies ist eine Nahaufnahme eines Back Contour Feder Widerhakens von einem männlichen Eastern Bluebird; zeigt ein Protein mit kanalartiger Nanostruktur. (Maßstabsbalken = 500 Nanometer). Bild mit freundlicher Genehmigung von Richard Prum Lab / Yale University.
Eine mögliche Anwendung für diese Arbeit sind effizientere Solarzellen, die Photonen einfangen können, bevor sie in Elektronen umgewandelt werden. Die Technologie könnte auch langlebige Farben ergeben, die in Prozessen wie Kosmetika und Ölen Verwendung finden könnten. "Chemische Farbe wird immer verblassen", sagt Hauptautor Hui Cao. Aber eine physikalische „Farbe“, deren Nanostruktur die Farbe bestimmt, wird sich niemals ändern. Cao beschreibt ein 40 Millionen Jahre altes Käferfossil, das kürzlich von ihrem Labor untersucht wurde und farbproduzierende Nanostrukturen aufwies. "Mit meinen Augen kann ich immer noch die Farbe sehen", sagte sie. "Es dauert wirklich sehr lange."
Das Team wird seine Ergebnisse auf dem Jahrestreffen der Optical Society (OSA), Frontiers in Optics (FiO) 2011, im Oktober 2011 in San Jose, Kalifornien, vorstellen.
Bildnachweis: Ana_Cotta
Fazit: Forscher der Yale University entwickeln einen neuen Lasertyp, der von nanoskaligen Strukturen in Vogelfedern inspiriert ist und sich durch natürliche Prozesse selbst zusammensetzen kann.