Färbung außerhalb der Linien

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Für Mathias Kolle sind die Flügel eines Schmetterlings ein Fenster in eine bessere materielle Welt. Das Schillern der Insekten ist ein Ergebnis der „strukturellen Farbe“ und nicht von Pigmenten oder Farbstoffen: Ein einzelner Flügel ist mit Hunderttausenden mikroskopisch kleinen Schuppen überzogen, die als winzige Reflektoren fungieren und Licht aus verschiedenen Winkeln und Tiefen reflektieren, um den Schmetterlingen ihre charakteristische Farbe zu verleihen und schimmern.

Kolle, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, untersucht die Mikrostruktur von Schmetterlingsflügeln und anderen optisch interessanten Organismen auf der Suche nach Möglichkeiten, ihre strukturellen, lichtbeugenden Effekte nachzubilden und sogar zu verbessern. Er und seine Studenten entwerfen von der Natur inspirierte Materialien, die fortschrittliche optische Funktionen aufweisen, darunter farbverändernde Folien und Fasern, die in drucküberwachende Bandagen integriert oder in Festigkeitstestknoten gebunden werden können, sowie Flüssigkeitströpfchen, die die Wirkung verstärken Regenbogen.

So wie Schmetterlinge das gesamte Farbspektrum ohne inhärente Pigmente oder Farbstoffe widerspiegeln, stellt sich Kolle Materialien wie Stoffe, Fasern und Flüssigkeiten vor, die so konstruiert werden können, dass sie Farben ohne Chemikalien erzeugen.

„Wenn es richtig gemacht wird, können Materialien allein durch ihre Struktur intrinsisch gefärbt werden, ohne dass ein chemisches Pigment oder ein Farbstoff hinzugefügt werden muss. Tatsächlich sind diese Farben viel brillanter als das, was mit Pigmenten allein erreicht werden kann“, sagt Kolle, der kürzlich eine Festanstellung erhalten hat. „Es ist spannend, einen Blick auf die vielen atemberaubenden Beispiele struktureller Farben in der Natur zu werfen und zu fragen, wie wir das Wissen über die Art und Weise der Natur, mit Licht zu spielen, nutzen können, um Materialien auf neuartige Weise Funktionalität zu verleihen.“

Das Licht sehen

Kolle ist in Gera, einer Stadt in der ehemaligen DDR, geboren und aufgewachsen, wo seine Eltern als Chemiker arbeiteten. 1989, kurz nach dem Fall der Berliner Mauer, erinnert er sich an die erste Einreise nach Westdeutschland.

„Ich war 7 Jahre alt; „Unsere Eltern setzten meinen Bruder und mich ins Auto und wir fuhren über die Grenze“, erinnert sich Kolle. „Als ich in das Schaufenster eines Spielwarenladens blickte, war ich überwältigt davon, dass Kinder auf der anderen Seite der Wand Dinge wie Mickey Mouse und Matchbox-Autos hatten.“

Von dieser Reise kam er mit einem Souvenir zurück: einem einfachen Kristallzüchtungsset, das sein Interesse an Chemie und Naturwissenschaften weckte. Später weckte ein Gymnasiallehrer, Gunnar Pietzko, Kolles Neugier auf die Physik, indem er Prismen und gekoppelte Pendel vorführte. Nach seinem Abschluss entschied sich Kolle für ein Physikstudium an der nahegelegenen Universität des Saarlandes, da er die Möglichkeit hatte, andere Grenzen zu überschreiten. Die Universität führte einen Physikstudiengang durch, bei dem Studierende ihre Zeit zwischen dem Saarland und der Universität Lothringen in Frankreich aufteilen konnten, und erst in diesem Jahr kam eine zusätzliche Option hinzu, auch in Luxemburg zu studieren, Orte, die Kolle unbedingt erkunden wollte.

Während des fünfjährigen Programms studierten und reisten er und eine Handvoll anderer Studenten gemeinsam zwischen den drei Universitäten.

„Wir waren eine enge Gemeinschaft von Menschen, die gemeinsam von Land zu Land reisten“, sagt Kolle. „Jedes Jahr mussten wir bei Null anfangen und uns an einem anderen Ort zurechtfinden, den wir nicht kannten. Ich denke, das war eine enorme Lernerfahrung.“

Während seines Studiums absolvierte Kolle auch ein Praktikum in den Niederlanden bei Professor Ulli Steiner, bei dem er mit Farben in Materialien experimentieren konnte.

„Ulli hat mir enorm viel kreative Freiheit gegeben. Ich war in seinem Labor, habe Polymere gemischt und optisch interessante Materialien hergestellt, und es hat mir sehr gut gefallen“, sagt Kolle. „Das war mein erster Versuch, Licht mit Struktur zu manipulieren und die Wissenschaft zu erforschen, die spannend und ergebnisoffen war.“

Steiner wechselte an die Universität Cambridge, und Kolle, der sich seinem Labor anschließen wollte, wurde ermutigt, einen Antrag zur Unterstützung eines Doktorandenprojekts durch ein Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes zu verfassen. Ein Teil von Steiners Arbeit konzentrierte sich auf die Verwendung von Polymeren zur Erzeugung von Strukturfarben, weshalb Kolle sich bei der Ausarbeitung seines Vorschlags über das Thema informierte.

„Ich habe viel über Nanostrukturen gelesen, die ohne Pigmente Farben erzeugen, und über Tiere, die diesen Trick erstaunlich gut anwenden“, sagt Kolle. „Das hat mich gefesselt.“

Als sein Vorschlag angenommen wurde, zog er nach Cambridge, um seine Doktorarbeit in Physik zu beginnen, wobei er sich auf Strukturfarben konzentrierte. Im Rahmen seiner Diplomarbeit begann Kolle, die optischen Effekte zu erforschen, die durch die Schuppen auf der Oberfläche von Schmetterlingsflügeln entstehen. Er fragte sich: Könnte ein synthetisches Material hergestellt werden, um den strukturellen Schimmer des Schmetterlings nachzuahmen?

Gegen Ende seiner Doktorarbeit gelang es Kolle, sorgfältig eine kleine, konkave, mehrschichtige Struktur zu konstruieren, die der mikroskopischen Architektur des Schmetterlings ähnelte. Er fand heraus, dass einige Proben von Blau nach Grün flackerten, genau wie der Flügel des Insekts. Andere Proben wechselten zu seiner Überraschung von Rot zu Blau – ein viel größerer Sprung im sichtbaren Lichtspektrum, den Kolle nicht erwartet hatte. Nach einiger Analyse stellte er fest, dass diese Proben eine zusätzliche, unbeabsichtigte Materialschicht enthielten, die den optischen Effekt der Gesamtstruktur verstärkte.

„Wir haben gezeigt, dass es Möglichkeiten gibt, diese Schmetterlingsstrukturen aus synthetischen Materialien herzustellen, und – durch einen Zufall – dass man von dort aus etwas verbessern kann, was der Organismus nicht kann“, sagt Kolle. „Das ist eine Philosophie, die ich auch heute noch sehr stark verfolge.“

Ein Prisma voller Ideen

Nach Abschluss seiner Doktorarbeit überquerte Kolle den Ozean ins andere Cambridge, wo er mit einem Stipendium der Humboldt-Stiftung als Postdoktorand an der Harvard University im Labor von Joanna Aizenberg arbeitete, die an der Spitze der Entwicklung fortschrittlicher, funktionaler Materialien stand, inspiriert durch Strukturen und Prinzipien in der Natur. Nach drei Jahren in ihrer Gruppe bewarb sich Kolle um eine Stelle, die zufällig in der Fakultät für Maschinenbau des MIT frei wurde.

„MIT fand ich spannend“, sagt Kolle. „Die engagierte Einstellung des MIT, Dinge in die Tat umzusetzen, war inspirierend.“

Im Jahr 2013 wurde er als Junior-Fakultätsmitglied aufgenommen und hat seitdem eine Laborgruppe und ein Forschungsprogramm aufgebaut, das ein buntes Spektrum an Richtungen widerspiegelt.

Er und seine Studenten haben die mikroskopischen Strukturen untersucht, die bei verschiedenen Schmetterlingsarten und Weichtieren zu optischen Effekten führen – ein Projekt, an dem sein Bruder, ein Meeresbiologe, beteiligt war. Mithilfe von Prinzipien, die sie in der Natur beobachten, haben sie neuartige Materialien entwickelt, etwa photonische Folien und Fasern, die bei Verformung ihre Farbe ändern. Sie haben gezeigt, dass diese farbdynamischen Materialien in Bandagen integriert und als visuelle Drucksensoren verwendet werden können, um die auf die heilenden Gliedmaßen eines Patienten ausgeübte Kompression zu optimieren.

Das Team hat auch die Optik einzelner Tröpfchen untersucht und Möglichkeiten untersucht, wie ein einzelnes Tröpfchen als winziges Mikroskop fungieren kann, um sehr kleine Merkmale zu vergrößern oder atemberaubende Farben zu erzeugen. Und zusammen mit Mitarbeitern in England und Österreich versuchen sie, das Zusammenspiel von Genetik und Biomechanik zu entschlüsseln, das der Fähigkeit von Schmetterlingen zugrunde liegt, auf ihren Schuppen bunte Nanostrukturen zu bilden.

Auch an der Optik hat Kolles Gruppe ein bisschen Spaß. Bei einem kürzlichen Besuch in seinem Labor testeten Studenten eine verlockende Idee: Könnten sie essbare, strukturell gefärbte Tröpfchen herstellen, die vielleicht in einen Cocktail oder auf Kuchen gesprüht werden, um ansprechende optische Effekte zu erzielen und das kulinarische Erlebnis optisch zu verbessern? Die Unterstützung dieser und anderer Ideen sei laut Kolle ein Schlüssel zum Erfolg seiner Gruppe gewesen.

„Die meisten der unausgegorenen Ideen, die ich am MIT begonnen habe, wurden erst realisierbar, weil meine Studenten sie aufgegriffen und herausgefunden haben, wie man sie großartig umsetzt“, sagt Kolle. „Sie sahen, dass etwas möglich war, und führten diese Ideen zu Höhen, die ich mir nicht hätte vorstellen können.“

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