Lin Wang und Tak-Sing Wong
- Zikaden sind die einzigen Arten, die Brochosomen absondern: seltene Nanopartikel mit Unsichtbarkeitseigenschaften.
- Doch zum ersten Mal hat eine Gruppe von Wissenschaftlern eigene synthetische Brochosomen geschaffen.
- Sie hoffen, dass ihre Brochosomen eines Tages für unsichtbare Tarngeräte und andere Technologien verwendet werden.
Wir neigen dazu, Unsichtbarkeitsmäntel als Science-Fiction zu betrachten. Aber eine Gruppe von Wissenschaftlern hat einen großen Schritt gemacht, um sie Wirklichkeit werden zu lassen.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler der Pennsylvania State University synthetische Nachbildungen von Brochosomen hergestellt, natürlich vorkommenden Nanopartikeln, die eines Tages zur Herstellung von Tarnvorrichtungen für die Unsichtbarkeit verwendet werden könnten.
Die Tarnung durch Unsichtbarkeit ist nicht die einzige Anwendung für synthetische Brochosomen. Laut dem leitenden Forscher Tak Sing Wong, Professor für Maschinenbau und Biomedizintechnik an der Penn State, könnten sie in den nächsten Jahren ihren Weg in eine Reihe kommerzieller Anwendungen finden – von Solarenergie bis hin zu Arzneimitteln.
Lösung eines 70 Jahre währenden geometrischen Rätsels
Lin Wang und Tak-Sing Wong
Brochosomen sind kugelförmige, hohle Nanopartikel, die mit durchgehenden Löchern – sogenannten Durchgangslöchern – bedeckt sind. Diese komplexe Struktur ermöglicht es ihnen, je nach Größe des Brochosoms und seiner Löcher bestimmte Lichtwellenlängen zu absorbieren oder zu streuen.
Der einzige Ort auf der Welt, an dem man natürlich vorkommende Brochosomen finden kann, ist auf dem Rücken einer Zikaden – einem häufigen Hinterhofinsekt. Ihre Brochosomenmäntel wurden erstmals in den 1950er Jahren entdeckt und helfen ihnen wahrscheinlich dabei, sich in ihre Umgebung einzufügen.
Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum Zikaden Brochosomen absondern und damit bedecken. Bisher verstanden sie nicht einmal den Zweck der komplizierten Geometrie der Nanopartikel.
„Dies ist wirklich die erste Studie, die versteht, wie die komplexe Geometrie des Brochosoms mit Licht interagiert“, sagte Wong.
Um zu diesem Verständnis zu gelangen, mussten Wong und seine Kollegen herausfinden, wie man eine Nachbildung eines Brochosoms herstellt. Nach fast einem Jahrzehnt der Forschung gelang es ihnen, die weltweit ersten synthetischen Brochosomen in 3D zu drucken.
Die Unsichtbarkeitseigenschaften von Brochosomen
Lin Wang und Tak-Sing Wong
Es gibt zwei wichtige Elemente der Brochosomengeometrie: den Durchmesser des Partikels und den Durchmesser seiner Durchgangslöcher.
Wenn die Wellenlänge des Lichts genauso lang ist wie der Durchmesser der Brochosomen, wird es beim Auftreffen auf das Partikel in alle Richtungen gestreut. Wenn die Wellenlänge des Lichts jedoch genauso lang ist wie der Durchmesser der Durchgangslöcher der Brochosomen, dringt es durch das Partikel und wird von ihm absorbiert.
Diese Absorption in Verbindung mit der Lichtstreuung führt dazu, dass Brochosomen eine sehr begrenzte Lichtreflexion aufweisen – und in bestimmten elektromagnetischen Bereichen unsichtbar sein können. Das Abdecken eines Objekts damit könnte theoretisch als Unsichtbarkeitsumhang dienen.
Das Schöne an synthetischen Brochosomen ist, dass sie in unterschiedlichen Größen hergestellt und so maßgeschneidert werden können, um verschiedene Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum zu absorbieren und zu streuen. Das bedeutet, dass Ingenieure Brochosomen für bestimmte Funktionen anpassen können, beispielsweise für die Unsichtbarkeit gegenüber Infrarotstrahlung, um die militärische Verteidigung zu unterstützen.
Tatsächlich haben Wongs Brochosomen die richtige Größe dafür. Sie sind etwa 40 bis 50 Mal größer als natürlich vorkommende und interagieren nur mit Infrarotstrahlung. Wongs zukünftige Forschung wird sich teilweise auf die Herstellung kleinerer synthetischer Brochosomen konzentrieren, um auf das kürzere Ende des elektromagnetischen Spektrums abzuzielen.
Das kommerzielle Potenzial von Brochosomen
Yaorusheng/Getty Images
Obwohl Wongs synthetische Brochosomen einen großen Schritt in Richtung einer Technologie zur Tarnung der Unsichtbarkeit darstellen, sind Wissenschaftler noch Jahrzehnte davon entfernt, etwas auf den Markt zu bringen.
„Ich denke, dass es noch zu meinen Lebzeiten möglich ist“, sagte er Hao Xin, ein Professor für Elektrotechnik, Computertechnik und Physik an der University of Arizona, der nicht an der Studie beteiligt war. Es werde mindestens 50 Jahre dauern, sagte er.
Aber in nur drei bis fünf Jahren hofft Wong, Brochosomen in ausreichend großem Maßstab produzieren zu können, um sie in Pigmenten, Pharmazeutika und Solarpaneelen zu verwenden.
Beispielsweise wurde Titanoxid, ein weißes Pigment, das in allem von Süßigkeiten bis hin zu Sonnenschutzmitteln verwendet wird, kürzlich von der Europäischen Union als Lebensmittelzusatzstoff verboten. Wong glaubt, dass Brochosomen irgendwann Titanoxid in Lebensmitteln wie Süßigkeiten und Kaffeesahne ersetzen könnten.
„Abhängig von unserer Vorstellungskraft gibt es meiner Meinung nach viele coole Anwendungen, die aus Brochosomen entstehen können“, sagte Wong.