Der kürzlich an die Paris Lodron Universität Salzburg (PLUS) berufene Materialphysiker Bodo Wilts löst fundamentale Teile des Rätsels der „Schillerfarben“ vieler Insekten. Hinter der Farbenpracht der Natur stecken Strukturen im Nanometermaßstab. Wilts analysiert die Strukturen der winzigen Gitter, Näpfchen oder Rippen auf den Käferpanzern und Schmetterlingsflügelschuppen, die die Wellen des Lichts brechen, beugen oder überlagern und so die prächtigen Farbenspiele erzeugen. Ein Ziel seiner Forschung ist es, herauszufinden, wie die Oberflächenstrukturen der Insekten im Labor repliziert werden könnten, um so in Zukunft bestehende Materialien, die als nicht ganz unproblematisch gelten, durch nachhaltigere zu ersetzen.

Da ist zum Beispiel der Goldstaub-Laubkäfer (Hoplia argentea), der brillant grün leuchtet, egal aus welchem Winkel man ihn betrachtet. Ganz anders hingegen sein enger Verwandter mit der auffallend himmelblauen Beschuppung namens Hoplia coeruleus, der sehr unterschiedlich schillert, je nachdem von welcher Seite man auf ihn schaut. Warum ist das so? Welche Tricks der Natur stecken hinter diesen Färbetechniken?

Das Geheimnis liegt nicht in Pigmenten, diese fehlen den meisten Insekten zur Erzeugung blauer und grüner Farben, sondern in den mannigfachen Nanostrukturen, die etwa auf den Chitin-Panzern der Käfer oder den Schuppen der Schmetterlingsflügel vorhanden sind, erklärt Bodo Wilts. „Solche physikalischen Farben entstehen dadurch, dass transparente Materialien wie das Chitin auf Nanobasis strukturiert sind, und aufgrund dieser Struktur entstehen durch Streuung oder Reflexion des Lichts verschiedene optische Effekte. Deswegen nennt man diese Farben auch Strukturfarben, früher sprach man von Schillerfarben“.

Das Prinzip der Strukturfarben wird auch in technologischen Anwendungen wie bei der Entspiegelung von Brillen oder bei den Sicherheitsmerkmalen von Geldscheinen genutzt. „Die Natur bietet aber so viel mehr an Nanostrukturen als wir technologisch herzustellen imstande sind. Es gibt vielfache Lagensysteme zum Beispiel bei Käfern, komplexe 3D Strukturen, die in allen Richtungen anders sind, Diamant-Strukturen oder völlig ungeordnete Strukturen.“ 

So liegt etwa das Geheimnis eines Käfers, der das weißeste Weiß aufweist, das es auf der Welt gibt, in der völlig ungeordneten Nanostruktur seines Chitin-Panzers. Bodo Wilts hat an diesem südostasiatischen Käfer (namens Cyphochilus) geforscht. „Wir haben die Struktur dieses Käfers, der mit seinem leuchtenden Weiß so gut wie jedes in der Natur existierende Weiß übertrifft, abgebildet und im Computer verändert, um zu sehen, was man an der Struktur anders machen könnte, um das Weiß noch weißer zu machen – wir haben nichts gefunden.“

In einer neuen  Publikation zeigt Wilts auf, an welchen Variationen bei der Schuppen-Nanostruktur eines bestimmten Rüsselkäfers (Pachyrhynchus congestus mirabilis) es liegt, dass dieser sowohl in einer winkelabhängigen orangen Farbe leuchtet, als auch in einer winkelunabhängigen blauen.

Die zu untersuchenden Tiere erhält Wilts meist aus Insekten- oder Vogelsammlungen „Das Gute an Strukturfarben bei Insekten ist, dass die Farben auf den Flügeln und Panzern auch erhalten bleiben, wenn die Tiere tot sind. Libellen, zum Beispiel, sind da eine Ausnahme.“

Wilts Untersuchungsmethoden umfassen neben der Licht- und Elektronenmikroskopie weitere optische Methoden und Streu-Experimente. „Zu den Farben von Tieren gibt es zahlreiche Studien. Viele der Grundlagen gehen hundert Jahre zurück. Schon Isaac Newton, Johann von Goethe oder Robert Hooke haben sich für die brillanten Farben von Tieren interessiert. Aber heute gibt es mehr und bessere Charakterisierungsmethoden, um die Strukturfarben in der Tiefe zu erforschen,“ so Wilts.

Wozu dienen überhaupt die Farben im Tierreich? Dass sie tarnen sollen, Feinde abschrecken und Weibchen anlocken, das beforschen Biologen. „Aber wenn es darum geht zu erkennen, wie Nanostrukturen Farbe hervorrufen oder wenn es zum Beispiel im Zusammenhang mit Insekten um die Polarisation von Licht geht, braucht es Physiker. Vögel können keine Polarisation sehen, Insekten schon. Das ist auch von Bedeutung im Überlebenskampf der jeweiligen Tiere.“  Wilts arbeitet in solchen Fragen u.a. mit Biologen zusammen. „Ich habe zum Beispiel ein Forschungsprojekt zusammen mit Biologen und Materialwissenschaftlern in Amerika und in England, in dem wir untersuchen, wie lebende Schmetterlinge die Nanostrukturen auf ihren Flügeln herstellen, auf deren Basis dann die Farben entstehen.“

Das Fernziel von Wilts Forschung ist es, die Farben, die es in der Natur gibt, im Labor erzeugen und technologisch herstellen zu können. „Wir möchten bestehende Materialien, die suspekt sind – wie neuerdings zum Beispiel Titandioxid – auf lange Sicht gesehen ersetzen, und wir möchten neue Möglichkeiten eröffnen, um Licht zu steuern, zu kontrollieren, was etwa für Photovoltaik-Anlagen relevant ist. Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten, die von unserer Grundlagenforschung zu optischen Farben profitieren können.“  

Bodo Wilts, geb. 1985 in Leer/Ostfriesland, hat in Göttingen und Groningen (NL) Physik/ Experimentalphysik studiert (2004-2013), war dann als Postdoc in Cambridge (UK, 2013-2014), anschließend 7 Jahre lang am Adolphe Merkle Institute der Université de Fribourg/Schweiz (2014-2021) als Gruppenleiter tätig.

Seit Oktober 2021 ist der Vater eines zehnmonatigen Sohnes als Professor für Materialphysik an der Paris Lodron Universität Salzburg tätig.  

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