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Rechtshändig oder linkshändig?

Einblicke in die farbgebende Mikrostruktur des Grünen Zipfelfalters: Die Flügel bestehen aus tausenden kleiner Chitin-Schuppen, die wiederum aus hunderten photonischer Kristalle aufgebaut sind, die die Farbe des Schmetterlings erzeugen. Mittels Elektronentomographie konnten die FAU-Wissenschaftler zeigen, dass die von Natur aus chiralen Kristallen sowohl linkshändig als auch rechtshändig vorkommen (siehe Spiralpfeile oben rechts). (Bild: CENEM/FAU)

FAU-Wissenschaftler beantworten mithilfe von Elektronentomographie zentrale Frage zur Mikrostruktur von Schmetterlingsflügeln

FAU-Wissenschaftlern 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.

Keine Farbpigmente, sondern Kristalle

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. 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.

Zufall oder nicht?

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.

Im Einsatz: Eines der weltweit modernsten Transmissionselektronenmikroskope

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.

Ergebnisse widerlegen etablierte Modelle

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.

Ergebnisse in Fachzeitschrift veröffentlicht

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 jetzt in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) erschienen.

Weitere Informationen:

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

 

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