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Schillerndes Naturpatent mit Potenzial

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Ein schillernder Winzling gibt Geheimnisse preis: die Regenbogen-Pfauenspinne. (Bild: Dr. Jürgen C. Otto)
Ihr Name ist Programm: Ähnlich wie ihre Namensvetter aus dem Vogelreich, beeindrucken die winzigen Pfauenspinnen ihre Weibchen durch faszinierende Farbenpracht. Nun haben Forscher aufgedeckt, welch raffinierte Bio-Nanotechnologie hinter den erstaunlichen optischen Effekten einer besonders eindrucksvollen Pfauenspinnenart steckt: Durch feine Strukturen erzeugen mikroskopische Schuppen auf ihrem Hinterleib jeweils einen winzigen Regenbogen. Dieses farbenprächtige Naturpatent könnten die Entwicklung optischer Technologien inspirieren, sagen die Forscher.

Sogar Spinnen-Phobikern können sie vermutlich ein Lächeln aufs Gesicht zaubern: Die australischen Pfauenspinnen sind die wohl niedlichsten Spinnentiere der Welt. Die Männchen dieser nur wenige Millimeter großen Wesen tanzen für ihre Herzensdamen und präsentieren ihnen dabei ein beeindruckendes Farb-Schauspiel. Eine Spezies der rund 70 Pfauspinnearten sticht dabei besonders hervor: die Regenbogen-Pfauenspinne (Maratus robinsoni). Die Männchen dieser Spezies verzaubern ihre Weibchen nicht nur mit speziellen Farben, sondern gleich mit dem ganzen Farbspektrum. Wie den Winzlingen dieser optische Effekt gelingt, hat nun ein Forscherteam aus Biologen, Physikern und Ingenieuren analysiert.

Die kleinsten Regenbögen der Natur

Das interdisziplinäre Team untersuchte dazu die optisch wirksamen Strukturen der Regenbogen-Pfauenspinnen durch Verfahren der Licht- und Elektronenmikroskopie, Hyperspektral-Bildgebung, Scatterometrie sowie durch mathematisch-optische Modelle. Anschließend erstellten die Forscher mithilfe moderner Nano-3D-Druckverfahren verschiedene Prototypen der Spinnen-Nanostrukturen, um ihre Theorien über die Grundlagen der optischen Effekte der Spinnen zu bestätigen.

Ihre Analysen konnten zeigten, dass das intensive Farbspektrum durch die raffiniert strukturierten Schuppen auf dem Hinterleib der Spinnen entsteht: Jede einzelne dieser Einheiten erzeugt demnach einen winzigen Regenbogen. Eine raffinierte 3D-Kontur mit nanoskaligen Beugungsgitterstrukturen macht dies möglich. Das System kann in diesem winzigen Maßstab das Licht in seine einzelnen Wellenlängen auftrennen, ergaben die Analysen.

Potenzial für optische Technologien

Mit den optischen Technologien des Menschen ist eine solche Leistung bisher nicht möglich, betonen die Forscher. „Selbst mit High-End-Fertigungstechniken konnten wir die genauen Strukturen nicht reproduzieren. Ich frage mich, wie die Spinnen diese fantastischen strukturellen Muster überhaupt entwickeln konnten“, sagt Co-Autor Radwanul Hasan Siddique vom California Institute of Technology in Pasadena.

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Das bedeutet: Es besteht nun weiterer Forschungsbedarf, denn in dem Naturpatent der Regenbogen-Pfauenspinnen steckt enormes Potenzial, sagen die Wissenschaftler. Das Konzept der super-irisierenden Spinnen-Schuppen könnte ihnen zufolge verwendet werden, um die derzeitigen Beschränkungen bei der Spektralmanipulation des Lichts zu überwinden und die Größe optischer Technologien zu reduzieren. „Wer hätte gedacht, dass so ein kleines Lebewesen ein solch raffiniertes Schillern erzeugen kann, dass es das optische Ingenieurwesen verändern könnte“, resümiert Co-Autor Dimitri Deheyn von der University of California in San Diego.

Originalarbeit der Forscher:

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