Spelen met licht


Foto: Didier Descouens

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Kleur speelt in de natuur een belangrijke rol. Dieren pronken met felle tinten om partners aan te trekken en bloemen lokken er bestuivers mee. De knallende kleuren van gifkikkers waarschuwen roofdieren dat ze beter een ander maaltje kunnen verschalken. En de camouflage-artiesten van de natuur zijn met het juiste kleurenpalet haast niet te onderscheiden van hun omgeving. Zo foppen ze zowel prooi als belager.

Zichtbaar licht bevat een spectrum aan kleuren, variërend van violet tot rood. Deze afzonderlijke tinten zijn goed te zien in een regenboog of als licht door een prisma valt. Veel organismen of voorwerpen krijgen hun kleur door pigmenten. In planten bijvoorbeeld weerkaatsten de pigmenten groen licht en absorberen ze alle andere kleuren. Omdat wij een object waarnemen via het licht dat het reflecteert, zien we groene planten.

De natuur kent nog een manier om kleur te creëren: het spel van licht met microstructuren. Een veelvuldig bestudeerd voorbeeld van zo’n structurele kleur is de morpho, een prachtige blauwe vlinder uit de regenwouden van Zuid-Amerika. De vleugels zijn bezaaid met microscopische structuren die aan kerstbomen doen denken en het invallende licht weerkaatsen.

Natuurkundig gezien is licht een golf. De afstand tussen de toppen, de golflengte, is kenmerkend voor de kleur licht. Als twee lichtgolven elkaar tegenkomen vormen ze samen een nieuwe golf die de optelsom is van de oorspronkelijke golven. Hierbij treedt interferentie op, een verschijnsel waarbij de golven elkaar versterken of verzwakken.

Zijn de twee golven bijvoorbeeld identiek, en lopen ze gelijk, dan overlappen de toppen (en dalen) elkaar. De toppen van de resulterende lichtgolf zijn twee keer zo hoog en het licht is feller. Ontmoeten golven elkaar terwijl ze een halve golflengte verschoven zijn ten opzichte van elkaar, dan overlappen de toppen de dalen en dooft het licht uit (zie illustratie).

Bij de morpho interfereren de gereflecteerde lichtgolven afkomstig van de ‘kerstbomen’ met elkaar. Door de afstand tussen de ‘takken’ en de vorm van deze uitsteeksels lopen de weerkaatste blauwe lichtgolven gelijk, dus die versterken elkaar. Alle andere kleuren verzwakken elkaar, doven uit, verstrooien of worden geabsorbeerd. Het netto resultaat van dit lichtspel is een felblauwe vlinder.

Structurele kleuren zijn te herkennen aan de metalige gloed. Vaak hangt de kleur af van de hoek waaronder ze wordt waargenomen. Dit zogenoemde iriserende effect is ook te zien bij olie in een waterplas en bij opaal. Bij de morpho is dit effect niet erg sterk, maar een pauweveer bijvoorbeeld heeft structuren die meerdere kleuren of tinten veroorzaken.

Morphotex is de eerste door mensen gemaakte vezel met structurele kleuren. Geïnspireerd op de vlinder is de vezel gemaakt van vele kleurloze laagjes nylon en polyester. De dikte en afstand van de lagen zijn zo gekozen dat de iriserende kleuren ontstaan . Autofabrikant Nissan maakte er fraai textiel van om de stoelen van de Silvia Varietta Convertible mee te bekleden.

Een andere toepassing is de Mirasol-technologie die gebruikt wordt voor schermen van bijvoorbeeld mobiele telefoons. Een pixel bestaat hierbij uit een transparante laag met daaronder een beweegbaar spiegeltje. Door de afstand tussen de bovenlaag en de spiegel te variëren, reflecteert de pixel net als de morpho een bepaalde golflengte. Een voordeel is dat het scherm gebruikmaakt van gereflecteerd licht en zelf geen licht hoeft uit te zenden. Het scherm vraagt nagenoeg geen stroom en is ook in fel zonlicht goed zichtbaar.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Er zijn vele soorten morpho vlinders. Ze variëren in spanwijdte van 7,5 tot maar liefst 20 centimeter. Alle morpho’s hebben structurele kleuren en de meest dramatische gekleurde vlinder is Morpho rhetenor. Alleen de bovenkant van de vleugels is blauw. De bruine onderkant krijgt zijn kleur niet door structuren, maar door pigmenten. Een afbeelding van de boven- en onderkant is hier te zien.

De vrouwtjes zijn veel saaier gekleurd. Daarom is het vermoeden dat de oogverblindende kleur van de mannetjes, de vrouwtjes moet aantrekken. Een andere redenering is dat de structurele kleuren helpen roofdieren te verwarren. Tijdens het vliegen bewegen de vleugels en verandert telkens de hoek waaronder een bespiedende waarnemer de kleur-veroorzakende-structuren ziet. Door het iriserende effect verandert daarom de waargenomen kleur steeds van helder blauw naar saai bruin (vergelijkbaar met de onderkant) en weer terug.

Hierdoor lijken de vlinders tijdens de vlucht te verdwijnen (de felblauwe kleur verdwijnt) en een stukje verder weer te verschijnen. De bruine onderkant versterkt dit effect. Gecombineerd met een grillige manier van vliegen maakt dat het lastig voor roofdieren om te bepalen waar de vlinder precies is. Ook piloten zien soms blauwe flitsen als deze vlinders boven het bladerdak van het regenwoud vliegen.

In de column wordt de meest recente Mirasol techniek uitgelegd. Er was een voorganger en beide technieken worden hier uitgebreider beschreven. Het oudere type draagt de naam IMOD (Interferometric MOdulator Display) en de nieuwe generatie SMI (Single Mirror IMOD). Een filmpje met duidelijke uitleg over de werking van het oude type is hier te zien.


Foto: Radislav A. Potyrailo et al

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 6 februari 2015

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84