Spotlight November 2022: Wie Photonik aus der Natur bioinspirierte Designs hervorbringt

Die Wissenschaft hat sich schon immer die Natur als Vorbild genommen und sie imitiert. Schaut man sich den Bereich der Photonik an, also die Verwendung von optischen Technologien zur Informationsverarbeitung, Übertragung oder Speicherung, so sind die farbenfrohen Beispiele in der Tier- und Pflanzenwelt perfekte Grundladen für technische Anwendungen. Während Farben in der Natur entweder zur Kommunikation, Paarung, Tarnung oder als Abwehrmechanismus verwendet wird, versucht die Wissenschaft sie in technische Anwendungen zu überführen.

In dem von Raquel Vaz, Manuela F. Frasco und M. Goreti F. Sales publizierten Review „Photonics in nature and bioinspired designs: sustainable approaches for a colourful world“ beschreiben die Autoren die Farbenvielfalt in der Natur und auf welchen physikalischen Begebenheiten beispielsweise der Farbwechsel es Chamäleons beruht. Sie zeigen auf, wie die Wissenschaft die zugrunde liegenden Mechanismen nutzt, um neuartige Materialien und Anwendungen aus photonischen Kristallen, farbigen Biomaterialien oder optischen Sensoren zu entwickeln.

Die in der Natur anzutreffenden Farben kommen entweder durch physikalische Prozesse wie Reflektion oder Beugung oder durch chemische Prozesse wie Biolumineszenz zustande. Der Übersichtsartikel konzentriert sich auf physikalische Prozesse, bei denen eine bestimmte Struktur die mit dem Licht interagiert maßgeblich ist für die Farben, die wir wahrnehmen. Zum Beispiel wird die Farbe der Flügel von Butterfliegen durch die Nanostruktur des Chitins verursacht. Manche Früchte von Bäumen sind blau, da die Struktur der Zellulose nur blaues Licht reflektiert.
Abgeleitet von der Natur eignen sich zahlreiche Materialien als photonische Biomaterialien. Generell zeigt dabei die Farbe oder eine Farbänderung eine Veränderung in der Umgebung des Materials an und kann daher als für den Menschen gut wahrnehmbarer Indikator genutzt werden. Anwendungsgebiete solcher „Anzeiger“ sind zum Beispiel die Pharmazie, wo die Freisetzung von Medikamenten aus einer Kapsel durch einen Farbumschlag überwacht werden kann.

Im Bereich der Sensortechnik kann durch einen Farbwechsel die Änderung von Temperatur oder pH-Wert angezeigt werden. Dafür werden unter anderen sogenannte „smarte“ Plastikmaterialien eingesetzt. Sie sind in der Lage gleichzeitig Änderungen in pH-Wert und Temperatur festzustellen. Andere Plastikmaterialien können Schwermetalle oder Schadstoffe ausfindig machen oder sind in der Lage das Vorhandensein biologischer Kampfstoffe anzuzeigen.

Viele photonische Anwendungen sind derzeit in der Entwicklung. Zum Beispiel können tragbare photonische Geräte bei der Bestimmung von Gesundheitsdaten wie die Messung des Herzschlages oder der Atmung in Anwendung kommen. Andere zukünftige Anwendungsfelder sind die bessere Behandlung von Krebs oder die schnellere Selbstheilung bei Gewebeschäden.
Das Feld der Photonik zeigt vielversprechende Ansätze für neue Materialien und Anwendungen auf, die mit gängigen Farbstoffen nicht verwirklicht werden können. Damit ist die Photonik ein Forschungsgebiet, von welchem in der Zukunft viele Neuentwicklungen für die Diagnostik von Krankheiten, die Verkapselung von Medikamenten oder für die Überwachung von Chemikalien in der Umwelt zu erwarten sind.

Original-Publikation:

Vaz, Raquel and Frasco, Manuela F. and Sales, M. Goreti F. (2020). Photonics in nature and bioinspired designs: sustainable approaches for a colourful world. Nanoscale Adv.,2, 5106-5129.

Dieser Artikel ist Teil der Themensammlungen: US National Nanotechnology Day, 2022.