Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rechtshändig oder linkshändig?

26.10.2015

Wissenschaftlern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist es gelungen, die dreidimensionale Form kleinster photonischer Kristalle in Schmetterlingsflügeln präzise zu bestimmen. Mit ihren Ergebnissen tragen sie dazu bei, den Entstehungsprozess dieser periodischen Strukturen, die die Farbgebung vieler Schmetterlinge bestimmen, besser zu verstehen. In Zukunft könnten die Erkenntnisse auch für die Konzipierung neuer optischer Materialien genutzt werden.

Anders als bei einer Wandfarbe wird die Farbe vieler Schmetterlinge nicht durch Pigmente hervorgerufen, sondern durch photonische Kristalle, die zu Hunderten in den Schuppen der Schmetterlingsflügel vorliegen. Photonische Kristalle sind regelmäßige Strukturen aus Chitin, einem Mehrfachzucker, der für seine strukturbildenden Eigenschaften bekannt ist.


Die Flügel des Grünen Zipfelfalters bestehen aus Chitin-Schuppen, die wiederum aus photonischen Kristallen aufgebaut sind. FAU-Forscher haben gezeigt, dass diese links- und rechtshändig vorkommen.

Bild: CENEM/FAU

Beugung und Interferenz führen dazu, dass nur gewisse Anteile des einfallenden Lichts reflektiert werden, wodurch der Farbeindruck und das charakteristische Schimmern entstehen. Photonische Kristalle treten nicht nur in Schmetterlingsflügeln auf, sondern bestimmen auch die schillernden Farben von Käfern und Muscheln.

Bei einigen Schmetterlingen besitzen die photonischen Kristalle eine Chiralität, das heißt eine Art Spiralstruktur – ähnlich einer Wendeltreppe –, die entweder rechts oder links gedreht ist. Im Fachjargon werden solche Strukturen entsprechend als linkshändig bzw. rechtshändig bezeichnet. Ein prominentes Beispiel ist der Grüne Zipfelfalter (Callophrys rubi), der in weiten Bereichen Nordafrikas und Europas vorkommt und eine chirale Struktur aufweist, die Gyroid genannt wird.

Um die Vorgänge bei der Metamorphose zum Schmetterling besser verstehen zu können, ist es für Evolutionsforscher interessant, ob die Händigkeit der Chitinstruktur im Entstehungsprozess des Schmetterlings zufällig auftritt oder nicht. Bei der Beantwortung dieser Frage konnten nun FAU-Werkstoffwissenschaftler weiterhelfen.

Dafür haben die Wissenschaftler um Prof. Dr. Erdmann Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung die Schmetterlingsflügel mit dem Titan3, einem der weltweit modernsten Transmissionselektronenmikroskope, am Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) der FAU untersucht. Ähnlich einer Computertomographie wird dabei die 3D-Struktur des Objekts aus einer Vielzahl von Einzelprojektionen rekonstruiert.

Durch die Verwendung schneller Elektronen statt Röntgenstrahlen wird bei der Elektronentomographie allerdings eine um ein Vielfaches bessere Auflösung erzielt. So konnten die Forscher erstmals zeigen, dass in den Schmetterlingsflügeln beide Händigkeiten auftreten, die linkshändige Chiralität aber weitaus häufiger vorkommt.

Die Ergebnisse widerlegen etablierte Modelle, die davon ausgehen, dass die Ausbildung einer bestimmten Chiralität im Entstehungsprozess rein zufällig erfolgt und daher eine Gleichverteilung der auftretenden Händigkeiten vorhersagen. „Evolutionsforschern stellt sich jetzt die Aufgabe, die entscheidenden Prozesse auf molekularer Ebene zu identifizieren, die zu der bevorzugten Chiralität führen.

Hieraus werden entscheidende Impulse für das Verständnis der Metamorphose von Schmetterlingen und anderen Insekten erwartet. Ein solches Verständnis könnte in Zukunft auch neue Wege für die Herstellung innovativer optischer Materialien aufzeigen“, sagt Prof. Spiecker.

Die Forschungsergebnisse, die im Rahmen des Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials in enger Zusammenarbeit der beiden FAU-Lehrstühle für Mikro- und Nanostrukturforschung und für Theoretische Physik 1 (Prof. Dr. Klaus Mecke) sowie der School of Engineering and Information Technology der Murdoch University Australia (Prof. Dr. Gerd Schröder-Turk) erzielt wurden, sind in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) erschienen: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1511354112

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Erdmann Spiecker
Tel.: 09131/85-28603
erdmann.spiecker@fau.de

Dr. Susanne Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen
19.10.2017 | Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science

nachricht Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten
19.10.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Event News

ASEAN Member States discuss the future role of renewable energy

17.10.2017 | Event News

World Health Summit 2017: International experts set the course for the future of Global Health

10.10.2017 | Event News

Climate Engineering Conference 2017 Opens in Berlin

10.10.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise