Juni 2003

1. 515 Millionen Jahre Strukturfarben Nanooptik in biologischen Systemen Juni 2003

2. Rezente Tierarten

3. Wie werden Farben „erzeugt“ Physikalisch Nanostrukturen Chemisch Pigmente Absorption Emission Reflexion Streuung Brechung Beugung Interferenz

4. Reflexion / Brechung in Schichtsystemen Periodisch Regulär / irregulär Eindimensionaler photonischer Kristall Aperiodisch Beugung Reflexionsgitter Transmissionsgitter Zweidimensionaler photonischer Kristall Dreidimensionale Strukturen Dreidimensionaler photonischer Kristall

5. Eine /4 Schicht: Interferenz an dünnen Schichten Reflexion und Transmission Interferenzbedingungen (Bragg) Reflexion 8% ( Phasenshift p) Zytoplasma n = 1.34 konstruktiv 2n2d cos b = (K-0,5) l destruktiv 2n2d cosb = Kl Guanin n = 1.83 a Reflexionsgrad d b n2 Brechungsgesetz

6. Interferenz an Multischichten Transmission, 125 Doppelschichten Coupled Wave Equations Überlagerung von hin- und rücklaufender Welle: a(z) - langsam sich ändernde Amplituden Reflexion, 125 Doppelschichten Eindimensionaler photonischer Kristall kleines n  Schmalbandreflektor

7. Lichtmikroskopische Aufnahme Natürlicher Schmalbandreflektor Schichtreflexion in Kombination mit dem Pigment Melanin Keratin / Luft

8. Vom Schmalband – zum Breitbandreflektor regulär chaotisch „chirp“

9. Silberfische GuanineKristalle 60-160nm Zytoplasma 80 –200 nm Schichten:ca 200 Breitbandreflexion an Multischichten TEM Aufnahme einer Chitin / Luft Multischicht Luft Chitin violett Scale 1 micron

10. Schmalbandreflexionam Reflexionsgitter 80 micron 1 micron 100nm Dependence of absolute reflectivity on wavelength of two Morpho butterflies, M. didius (star/cross data) and M. rhetenor (circled data).(Transmission through scales is shown on the inset graph). This data is published in Proc. Roy. Soc. B

11. Natürlich vorkommende Gitter Schmetterlingsflügel Luft / Chitin Aceton/ Chitin

12. Gittergleichung: 1 2 Reflexionsgitter Gitternormale 0 a b 1 2 g Nachteile: maximale Intensität in der 0.Ordnung Überlappung in höheren Ordnungen

13. Gittergleichung: Gitternormale Flächennormale MaximaleEffizienz = Blazebedingung f 0 a + f = b - f = r 1 Blazewinkel: f = 0.5 ( b - a ) a 2 b 1 g Echelette-Gitter

14. Wiwaxia corrugata (Burgess shale, 515 Ma). First accurate colour reconstruction of a Cambrian animal. Cambrische Explosion 515 Millionen Jahre

15. Natürliche zweidimensionale photonische Kristalle Chitin n= 1.53 Seewasser 1.33 88 Schichten Sea mouse Abstand: ca.500nm TEM 2001 A. Parker

16. The end of a PBG fibre. The other end of the fibre is illuminated with white light. Gittergleichung: Konzept wurde 1987entwickelt E. Yablonovitch Bellcore Labs N.Y. S. Johnston MIT Zweidimensionaler photonischer Kristall SEM einer PBG Fiber .Diameter 40 microns 2003 existieren 2 Firmen, welche 2D photonische Kristalle herstellen ( DK, UK) März 2003 erste Fiber kommerziell erhältlich ( 1 km Länge, Glasfaser) PBG Fiber Transmissionsbeugungsgitter in Z-Richtung ausgedehnt Transmissionsgitter 1 -1 0 1 -1 0

17. 3-d PBG Strukturen „Übereinanderschachteln“ verschiedener Strukturen unterschiedlicher Größenskalen gestattet die Reflexion verschiedener Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums PBG im IR im VIS? Herstellung: Lithographisch Templattechnik

18. Schlussfolgerung In biologischen Systemen wird eine Vielzahl von Strategien verwendet, um Strukturfarben zu erzeugen Es handelt sich um Kombinationen von Beugung, Reflexion und Interferenz bzw. Streuung Kombination verschiedener Überstrukturen führt zu einer Bandbreite reflektierter Wellenlängen unabhängig vom Einfallswinkel- natürliche Existenz 1-, 2- und 3d photonischer Strukturen Möglicherweise ergeben sich aus der Untersuchung biologischer Strategien neue Herstellungsmethoden und Materialien für dreidimensionale PBG Strukturen

20. Coupled Wave Equations Überlagerung von hin- und rücklaufender Welle: a(z) - langsam sich ändernde Amplituden

21. Luft / Chitin Aceton/ Chitin