von Theobald Lohmüller
Dass aus einer Raupe einmal ein schöner Schmetterling wird, ist schon ein kleines Wunder. Dass man von Schmetterlingen lernen kann, wie sich die Leistungsfähigkeit moderner Fotoapparate verbessern lässt, ist umso erstaunlicher. Die kleinen Insekten beherrschen nämlich allerhand optische Tricks. Die schillernden Farben der Flügel werden zum Beispiel nicht nur durch Farbstoffe hervorgerufen, sondern vor allem durch Lichteffekte an ihrer Oberfläche, ähnlich wie beim Regenbogen. Doch während man die bunten Tagfalter wegen ihrer Schönheit bewundert, fristen ihre nächsten Verwandten, die Motten, nur ein Schattendasein – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes: Motten sind nacht- und dämmerungsaktiv. An ihren Lebensraum sind sie dabei allerdings durch einen Trick der Natur optimal angepasst. Die Augen der Motte sind mit einer hervorragenden Technik ausgestattet, die unerwünschte Spiegelung von Licht an ihrer Oberfläche verhindert und der Motte gleichzeitig hilft, in der Dämmerung besser zu sehen. Für die Motte ist das überlebenswichtig: Sie nutzt das wenige Licht in ihrer Umgebung optimal aus und bleibt dennoch für ihre Feinde unentdeckt.
In meiner Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und an der Universität Heidelberg habe ich das genauer untersucht. Dabei hat mich zunächst folgende Frage beschäftigt: Wie macht die Motte das? Die Reflexion von Licht ist nämlich auch für uns Menschen oft unerwünscht und manchmal sogar problematisch. Glas ist nur scheinbar transparent. Tatsächlich geht ein erheblicher Teil des Lichts, das auf eine Glasscheibe trifft, einfach verloren. Je nach Glastyp werden etwa acht Prozent des Lichts reflektiert. Das gleiche gilt natürlich auch für Brillengläser, die Windschutzscheibe eines Autos oder die Objektive einer Kamera. Werden dann sogar viele Linsen in einer Reihe positioniert, wie das bei modernen Mikroskopen und optischen Messinstrumenten der Fall ist, addieren sich die Verluste weiter auf und verschlechtern so ganz massiv die Leistungsfähigkeit dieser Geräte.
Der Grund ist der unterschiedliche Brechungsindex von Luft und Glas. Glas hat den höheren Brechungsindex, weil es fest und damit optisch dichter ist als Luft. Das bedeutet, Licht breitet sich in Glas langsamer aus. Treffen Lichtstrahlen auf eine glatte Glasoberfläche, ändern sich die Bedingungen deshalb schlagartig. Als Folge davon werden die Strahlen abgelenkt oder reflektiert. Das kann man mit einem flachen Kieselstein vergleichen, den man an einem See ins Wasser wirft. An der Wasseroberfläche wird der Stein abgebremst und ändert seine Richtung. Wirft man ihn im richtigen Winkel, prallt er sogar von der Oberfläche ab.
SÄulenförmige Ausstülpungen
Allgemein kann man sagen: Je unterschiedlicher die optischen Eigenschaften zweier Materialien sind, desto mehr Licht geht verloren. Um das auszugleichen, werden die Linsen von modernen Kameraobjektiven deshalb heutzutage oft mit hauchdünnen Antireflexschichten überzogen, das Objektiv wird „optisch vergütet”. Damit will man eine plötzliche Änderung des Brechungsindex vermeiden und die Lichtreflexion so unterdrücken. Diese Methode hat aber viele Nachteile. Die Wirkung der Beschichtungen ist meistens eingeschränkt und hängt zudem vom Winkel ab, mit dem das Licht auf das Objektiv trifft.
Anders bei den Motten: Schaut man sich die großen, dunklen Augen der Tierchen genauer an, kann man keine Reflexion erkennen – egal von welcher Seite man hinsieht. Doch erst ein Blick unters Elektronenmikroskop verrät das Geheimnis der Insekten: Die Chitinlinse der Falter ist mit einer geordneten Struktur aus kleinen, säulenförmigen Ausstülpungen überzogen. Diese Säulen sind nur wenige hundert Nanometer groß und damit gerade ein bisschen kleiner, als die Wellenlänge des für den Menschen sichtbaren Lichts. Mit einem herkömmlichen Mikroskop ist die Struktur deshalb gar nicht zu erkennen und blieb so lange unentdeckt. Um die Säulen mit dem bloßen Auge zu sehen, müsste man die Motte etwa tausendfach vergrößern. Das Tierchen wäre dann so groß wie ein Jumbo-Jet. Diese winzige Struktur hat aber tatsächlich eine große Wirkung: Der Übergang der optischen Dichte zwischen Luft und dem Mottenauge wird dadurch gleichmäßiger. Der Brechungsindex ändert sich also nicht plötzlich, wie das bei einer glatten Oberfläche der Fall ist, sondern kontinuierlich. Das Licht wird kaum noch reflektiert, sondern dringt stattdessen ungehindert in das Auge der Falter ein. Dabei kann man sich wieder den Kieselstein vorstellen. Versucht man, ihn übers Wasser springen zu lassen, geht das am besten, wenn der See ruhig und spiegelglatt ist. Bei kleinen Wellen auf der Wasseroberfläche ist das viel schwieriger.
Nach dieser Entdeckung steht man aber erst vor dem eigentlichen Problem: Wie lässt sich die Technik der Motte auf herkömmliche Linsen- und Glasoberflächen übertragen? Dazu habe ich ein Verfahren entwickelt, bei dem optische Materialien zunächst mit winzigen Goldpartikeln dekoriert werden. Die Mottenaugenstruktur wird dann anschließend in die Oberfläche hineingeätzt. Dabei funktionieren die Partikel wie ein Schutzschild für die darunterliegende Linse. Während das Glas in den Zwischenräumen abgetragen wird, bleibt ein dichter Wald aus kleinen Säulen unter der Maske zurück. Eine Struktur, genau wie auf dem Auge der Nachtfalter.
Wie BEIM HÄNDEWASCHEN MIT SEIFE
Entscheidend dabei ist aber die Methode, mit der die Partikel auf die Linse übertragen werden. Setzt man dafür moderne Verfahren ein, wie bei der Herstellung von Computerchips, würde das viel zu lange dauern und wäre außerdem zu teuer. Idealer ist es deshalb, wenn sich die Partikel von selbst und ohne komplizierte Technik auf die Glasoberfläche bringen lassen. Um das zu erreichen, gibt es einen Trick: Polymere, also lange Molekülketten, bilden in einem geeigneten Lösungsmittel kleine Kugeln, sogenannte Mizellen. Gibt man Goldsalze zu der Lösung hinzu, werden diese in die Kerne der Mizellen einlagert.
Das gleiche Prinzip wie beim Händewaschen mit Seife: So wie die Seifenmoleküle die Schmutzpartikel in ihrem Inneren einschließen, geschieht das hier mit den Molekülketten und dem Metall. Taucht man eine Linse in die so präparierte Lösung ein, haften die beladenen Polymerkügelchen automatisch an der Oberfläche. Für das Eintauchen spielt es dabei keine Rolle, ob das Glas gekrümmt oder flach ist. Es bildet sich so durch reine Selbstorganisation eine gleichmäßige, eng gepackte Schicht aus Mizellen. Wird die Polymerhülle abgebrannt, bleiben die kleinen Goldkerne übrig. Jeder einzelne Partikel ist dabei nur wenige millionstel Millimeter groß, so wie auch die Mottenaugenstruktur selbst. Beim anschließenden Ätzen der Linse werden auch die Partikel selbst durch den Prozess immer kleiner bis sie vollständig verschwunden sind. Der Schutzschild ist dann völlig aufgebraucht und das künstliche Mottenauge ist fertig. Die Messungen der optischen Eigenschaften haben gezeigt, dass praktisch keine Reflexion mehr zu beobachten ist und sich die Lichtdurchlässigkeit der Linse enorm verbessert hat – und das unabhängig vom Einfallswinkel oder der Wellenlänge. Der Grund: Entlang der Struktur nimmt der Brechungsindex zwischen Luft und der Linse gleichmäßig zu, genau wie auf der Hornhaut der Motte.
Der ganze Vorgang dauert insgesamt nur ein paar Minuten und die Sache hat noch einen weiteren, praktischen Nebeneffekt: Weil die Säulen auf der Oberfläche so klein sind, perlen Wassertropfen von ihr ab. Die Linse reinigt sich also von selbst. Da sich die Maske für das künstliche Mottenauge trotz der winzigen Dimensionen durch Selbstorganisation aufbaut, ist diese Methode schneller und günstiger als herkömmliche Verfahren und lässt sich auf eine ganze Reihe anderer Materialien übertragen. So können Brillengläser, ganze Fensterscheiben oder Bildschirme auf diese Weise entspiegelt werden. Lichtreflexion verschlechtert aber auch die Leistung von Solarzellen. Reflektiertes Licht wird nicht in Strom umgewandelt. Gerade der Wirkungsgrad von Solaranlagen könnte mit diesem Verfahren noch deutlich verbessert werden. In Zukunft hilft die Technologie der kleinen Nachtfalter dann vielleicht sogar dabei, umweltfreundlichen Strom zu erzeugen. Den Motten kann das nur recht sein. ■
