Structure property relations of cuticular photonic crystals evolved by different beetle groups (Insecta, Coleoptera)

Wu, Xia; Raabe, Dierk

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-50577

Structure property relations of cuticular photonic crystals evolved by different beetle groups (Insecta, Coleoptera) = Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von in verschiedenen Käfergruppen (Insecta, Coleoptera) evolvierten kutikulären photonischen Kristallen

Wu, Xia (Author)

2014

VerantwortlichkeitsangabeXia Wu

ImpressumBerlin : epubli 2014

UmfangV, 164 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-01-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50577
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444935/files/5057.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Photonischer Kristall (Genormte SW) ; Werkstoffkunde (Genormte SW) ; Insekten (Genormte SW) ; Kutikula (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; photonic crystals (frei) ; materials science (frei) ; insect cuticle (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Photonische Kristalle sind optisch aktive Materialien welche die Propagation von Licht innerhalb bestimmter Frequenzbereiche verhindern. An diesen Materialien wurden viele neue, hochinteressante optische Effekte beobachtet die beträchtlichen technologischen Fortschritten Vorschub geleistet haben. Die Erforschung des Designs der periodischen Strukturen von photonischen Kristallen ist einer der essentiellen Forschungszweige die sich mit der Optimierung von optischen Eigenschaften für technische Anwendungen befassen. In der Natur haben viele lebende Organismen biologische photonische Kristalle evolviert die in der Lage sind bunte, irisierende Farben hervorzubringen. Diese biologischen Modellsysteme, besonders die photonischen Strukturen welche von der Kutikula der Insekten gebildet werden, haben sich bereits als eine ergiebige Inspirationsquelle für Design und Entwicklung von synthetischen optischen Materialien erwiesen. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die Beziehungen von Struktur und optischen Eigenschaften der kutikulären photonischen Kristalle von fünf Käferarten aus drei verschiedenen taxonomischen Gruppen untersucht um deren Designprinzipien aufzuklären und zu verstehen. Mikrostruktur und Zusammensetzung dieser photonischen Kristalle wurden unter Anwendung eines breiten Spektrums von Methoden aus der Mikroskopie und chemischen Analyse experimentell charakterisiert. Ihre optischen Eigenschaften wurden sowohl experimentell gemessen als auch anhand von auf der Strukturanalyse basierenden Modellen theoretisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Käferarten Mehrfachschichten, sogenannte Multilayer, und helikoidale Strukturen in unterschiedlichen Schichten ihrer Kutikula evolviert haben: erstere in der Epikutikula bei Laufkäfern und letztere in der Exokutikula bei Blatthornkäfern. Der Rüsselkäfer besitzt dreidimensionale, auf der bikontinuierlichen kubischen D- oder Diamantstruktur basierende photonische Kristalle die in Schüppchen gebildet werden welche Auswüchse der Kutikula darstellen. Durch Modifikationen von Struktur und Zusammensetzung dieser Grundstrukturen erreichen die untersuchten Käferarten optische Eigenschaften die für die jeweils wirkenden ökophysiologischen Belastungen optimiert sind. In einigen Fällen wurden dabei ungewöhnliche und unerwartete optische Effekte beobachtet. Die Prinzipien sowohl der grundlegenden Architektur, als auch der zusätzlichen Modifikationen bieten Inspiration für das Design synthetischer Komposit-Materialien die nicht nur neuartige optische Eigenschaften bieten sondern diese mit anderen physikalischen Eigenschaften in einem ausgeglichenen Gleichgewicht kombinieren.

Photonic crystals are optically active materials that can inhibit the propagation of light within certain frequency ranges. This type of material has shown many new and exciting optical effects which have led to considerable advances in technology. Investigating the design of the periodic structures of photonic crystals is one of the essential research fields aiming at optimized optical properties for technical applications. In nature, many living organisms have evolved biological photonic crystals which are able to generate vivid iridescent colors. These biological model systems, especially the photonic structures formed by the cuticle of insects, have already been shown to be a rich source of inspiration for the design and development of synthetic optical materials. In this study, I investigated the relations of structure and optical properties of the cuticular photonic crystals of five beetle species from three different systematic groups with the goal to evaluate their design principles. A large variety of methods for microscopic investigations and chemical analysis were applied to characterize the microstructure and composition of these photonic crystals experimentally. Their optical properties were both experimentally measured and theoretically characterized based on models derived from the structural analysis. The results show that the investigated species of Ground beetles and Scarab beetles have evolved multilayer structures and helicoidal structures in different regions of their cuticles: epicuticle and exocuticle, respectively. The weevil species has formed three-dimensional photonic crystals based on a D-surface structure (diamond) in scales which are outgrowths of the cuticle. Through modifications of structure and chemical composition of these basic structures, the investigated beetles obtain optical properties that are optimized to meet the imposed ecophysiological strains. In some cases, unusual and unexpected optical effects were observed. The principles of both the basic structuring of these photonic crystals and the additional modifications provide us inspirations for the design of synthetic composite materials with not only novel optical properties, but also combinations with other physical properties in a balanced equilibrium.

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