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Zusammenfassung
Biowissenschaften

Gymnasium Carolinum Osnabrück

2017,2,Internet

Christoph G. ©
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ID# 71172







Mottenaugenstruktur: Vorbild für Antireflexbeschichtungen- Bionik
  • Warum?

  • hohe Aktualität in der Smartphone-Nutzung

  • besitze Smartphone

  • Mir ist schon öfters aufgefallen, dass bei Sonnenschein auf vielen Smartphone-Displays kaum noch etwas erkennbar ist, da sie stark spiegeln

  • Für uns ist Reflektion von Licht oft unerwünscht und in manchen Fällen auch nervtötend

  • Dazu war mir die Lösung bereits bekannt: Eine Antireflexfolie für das Handy

  • Meine Neugierde wie diese Folie funktioniert und was diese Folie mit dem Mottenauge zu tun hat, wurde so geweckt.

  • Motten

  • Kleinschmetterlinge , Nachfalter

  • Nachtaktiv

  • 150.000 Arten von Motten

  • mit unterschiedlicher Lebensweise, Rückzugsort und die Nahrung

  • bewohnen Wälder, Felder, Wiesen, landwirtschaftliche Felder und menschliche Siedlungen

  • Je nach Art :Getreide, Obst , Tierhaaren , Pflanzen oder Waben der Bienen, Nüssen oder Textilien.

  • Dunkelgefärbte Körper

  • Antennen ,die mit Duftrezeptoren ausgestattet sind : Erleichtern das Auffinden von Nahrungsmitteln und Partnern Weibchen, die 7 Meilen entfernt sind, dank des außergewöhnlichen Geruchssinns zu erkennen.

  • wichtige Bestäuber verschiedener Pflanzenarten

  • produzieren in ihrem Leben 40 bis 1.000 Eier

  • Durchlaufen ein Entwicklungsprozess: Ei, Larve, Falter

  • Eier schlüpfen nach wenigen Tagen oder Monaten

  • Larven in Form von gelb-weißlichen Raupen

Raupe frisst in der Regel Pflanzenmaterial, Wolle, Seide oder auch andere Insekten.

Voll ausgewachsene Larven verkapseln sich im Kokon und verwandeln sich in erwachsene Motten.

  • Erwachsene Motten leben von 2 bis 4 Wochen



  • Kleidermotte

  • bevorzugen dunkle Orte in trockenen, warmen Räumen

  • erreichen kurz vor der Verpuppung eine Maximalgröße von 10 mm

  • im Laufe seines Lebens zwischen 100 und 250 Eier

  • Legen auf Textilien, Fellen oder Federn ab

  • Larven ernähren sich von keratinhaltigen , tierischen Produkten wie Wolle, Haare oder Federn

  • Fasern als Nahrung und zum Bau ihres Kokons benutzt

  • Lebenserwartung :12 bis 18 Tage


  • Aufbau

  • Facettenaugen,

  • je nach Art aus 30.000 einzelaugen , Ommatidien ,zusammengesetzt ,wobei der durchmesser 15-40 μm beträgt

  • jedes ihrer Einzelaugen ein eigenes Blickfeld, weshalb ihnen ein breites Sichtfeld ermöglicht wird.

  • Motte von hinten nähert, Motte registriert

  • Reagieren zudem auf Lichteinfall.

  • bei dunkelheit ziehen sich die Pigmentzellen in Richtung Linse zurück , so dass dasseinfallende Licht die Sehsinneszellen benachbarter Einzelaugen erreicht.

  • effektive Verwertung des Lichts

  • Aufbau eines Ommatidiums

  • lichtbrechenden Bestandteiledes Einzelauges :wird aus einer Chitinlinse und einem darunter liegenden Kristallkegel gebildet

  • Chitinhülle des Ommatidiums bildet die Cornealinse aus, durch die das Licht ins Auge fällt

  • Danach fällt es durch den Kristallkegel

  • Kristallkegel leitet das Licht zu den Sehstäbchen (Rhabdom)

  • Rhabdomere bilden den lichtempfindlichen Teil der Sehzellen und enthalten Sehpigmente

  • die Nervenfasern , welche die Wahrnehmungen zum Gehirn weiterleiten


    • Reflexion von Licht


    • Blick nachts aus beleuchteten zuges, spiegelbild

    • Je unterschiedlicher die optischen Eigenschaften zweier Materialien sind, desto mehr Licht geht verloren

    • Brechungsindex von Luft und Glas unterschiedlich

    • Glas :höheren Brechungsindex, weil es fest und damit optisch dichter ist als Luft

    • Lichtstrahlen treffen auf eine glatte Glasoberfläche: die Bedingungen ändern sich schlagartig

    • erheblicher Teil des Lichts, das auf eine Glasscheibe trifft, einfach verloren.

  • Je nach Glastyp werden etwa acht Prozent des Lichts reflektiert

  • gleiche gilt natürlich auch für Brillengläser, die Windschutzscheibe eines Autos oder die Objektive einer Kamera


    • Mottenaugen

    • entspiegelnden Struktur ;Chitinlinse der Falter ist mit einer geordneten Struktur

    • aus kleinen periodisch angeordneten Säulen mit einem Abstand von 200 bis 300 Nanometer

    • bisschen kleiner, als die Wellenlänge des für den Menschen sichtbaren Lichts

    • Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 80 000 Nanometer dick

    • Anordnung und Nanogröße der Noppen sorgen für gleichmäßigen Ãœbergang der optischen Dichte( Brechungsindex )zwischen Luft und dem Mottenauge

    • einfangen Licht verschiedener Wellenlänge aus unterschiedlichen Einfallswinkeln

    • Brechungsindex ändert sich also nicht plötzlich, wie das bei einer glatten Oberfläche der Fall ist

  • dringt ungehindert in das Auge der Falter ein

  • normalerweise wird ein Teil des Lichtes an den Grenzflächen reflektiert, wenn sich der Brechungsindex sprunghaft ändert, ebenso beim Ãœbergang zwischen Luft und Glas


    • eigene Sehfähigkeit erhöht , weil sie auch das schwache Restlicht fast vollständig verwerten können

    fehlenden Spiegelung an ihren Augen , für ihre Jäger nahezu unsichtbar


    • Technische Umsetzung Max-Planck-Instituts für Metallforschung


    • Forscher entwickelten ein Verfahren, in dem Glas- und Quarzsubstrate mit Nanopartikeln dekoriert und anschließend durch ein Ionenplasma geätzt werden

    • Lösung : Polymere, (Makromolekül große Moleküle,, das sich aus mehreren gleichartigen Bausteinen zusammensetzt)

    • lösen Polymere in Toluol, sodass diese kleine Kugeln, sogenannte Mizellen formen

  • Linse in die Flüssigkeit getaucht

  • Für das Eintauchen spielt es dabei keine Rolle, ob das Glas gekrümmt oder flach ist

  • beladenen Polymerkügelchen haften an der Oberfläche

  • Mithilfe Wasserstoffplasmas (Gemisch aus neutralen und geladenen Teilchen) entfernen sie dann die organischen Hüllen der Kugeln

  • dichtes Muster aus ungefähr sieben Nanometer großen Goldpartikeln auf der Linsenoberfläche bildet

  • dienen in einem zweiten Schritt als Schattenmaske beim Plasmaätzen der Mottenaugenstrukturen in die optische Grenzfläche

  • Goldpartikel werden bei diesem Prozess immer kleiner, bis sie schließlich aufgebraucht

  • Jeder einzelne Partikel :nur wenige millionstel Millimeter

  • so wie Mottenaugenstruktur

  • schaffen gleichmäßigen Ãœbergang zwischen den beiden Medien Luft und Glas



  • Der Schutzschild ist dann völlig aufgebraucht und das künstliche Mottenauge ist fertig


    • Vorteil :

    • Eine deutlich verbesserte Lichtdurchlässigkeit

    • von 98 bis 99 % und

    • eine Verminderung der Reflexion auf

    • 4 bis 5 %

    • Säulen auf der Oberfläche so klein sind, perlen Wassertropfen von ihr ab.

    • Die Linse reinigt sich also von selbst

    • Farbneutral: Unterdrückt die Reflexion gleichmäßig.

    • Flexibel: Eignet sich für glatte und stark gekrümmte Oberflächen.

    • Schnell und kostengünstig: Die Mottenaugenstruktur bildet sich eigenständig.

    • Hochpräzise: Liefert kontrastreiche und störungsfreie Bilder.


    Anwendungsgebiete

    • Bildschirme

      • Fernseher

      • Computer-Monitore

      • Mobile Gerät

    • Brillengläser und Glasscheiben, beispielsweise beim Auto oder in Gebäuden

    • Sicht-Bildschirme über Tachos und andere Armaturenbrett gelegt

  • Solarzellen


    Solarzellen


    Abdeckglas der Solarzellen wird mit einer hauchdünnen Schicht aus Siliziumdioxidkügelchen versehen

    • verhindert einen großen Teil der bei unbehandelten Scheiben auftretenden Lichtreflexion

    • Siliziumdioxid bewirkt eine allmähliche Zunahme der optischen Dichte

    • fließenden Ãœbergang wahr, dringt fast ungehindert hindurch und verursacht so weniger Spiegelung.

    • Beschichtung :Solarzellen bis zu 6% mehr Strom erzeugen können

    • entspricht bei den vorhandenen Solaranlagen einem zusätzlichen Energiegewinn von 180GWh!

    • Anschaffungskosten sind nur minimal teurer


    • Wie entsteht Reflexionen ?

    • Je unterschiedlicher die optischen Eigenschaften zweier Materialien sind, desto mehr Licht geht verloren

    • Welche Vorteile haben nachtaktive Falter durch ihre reflexionsfreien Augen ?

  • Betrachte die elektronenmikroskopische Aufnahme von einem Facettenauge einer Motte und beschreibe die Besonderheiten

  • Jedes Einzelaugen ist übersät mit Millionen winziger Säulen

  • Welche Vorteile hat die Antireflexbeschichtung?

  • Flexibel: Eignet sich für glatte und stark gekrümmte Oberflächen

  • Schnell und kostengünstig: Die Mottenaugenstruktur bildet sich eigenständig

  • Hochpräzise: Liefert kontrastreiche und störungsfreie Bilder

  • Linse reinigt sich also von selbst


    Fazit

    Erleichterung des Alltag ,besonders bei Brillengläsern , handys

    Kosteneinsparung

    können Lichtreflexion verschlechtert aber auch die Leistung von Solarzellen

    In Zukunft hilft die Technologie der kleinen Nachtfalter dann vielleicht sogar dabei, umweltfreundlichen Strom zu erzeugen


    Herstellung sehr feiner Prägestempel. Diese werden auf Kunststoffe feine Kunststofffolien oder Glas quasi aufgedrückt. Verfahrern für Folien verwendert, die auf Materialien geklebt werden.


  • Bildet Oberflächenstruktur ab

  • zähflüssige Kunststoffschmelze wird in die Form gespritzt

  • Nanokonturen übertragen sich direkt auf das Bauteil

  • wischbeständige und kratzfeste Oberflächen

  • Gussform zusätzlich mit einer ultradünnen organischen Substanz aus Polyurethan, kurz PU, durchflutet

  • Die Substanz läuft in jede Ritze und härtet aus

  • Ergebnis : hauchdünne Nano-Haut aus Polyurethan, auf der ebenfalls die optisch wirksamen, etwa ein Zehntausendstel Millimeter dicken Oberflächenstrukturen abgebildet sind


    • Forscher am Fraunhofer FEP

    • mittels eines Co-Sputter-Verfahrens zunächst eine Gradientenschicht,

    • bestehend aus Siliziumdioxid (SiO2) und einer weiteren Hilfskomponente auf Glas abgeschieden

    • in einem Ätzschritt die Hilfskomponente entfernt

    • Resultat bildet eine zurückbleibende raue Siliziumdioxidschicht


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