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Jan 17, 2024

Tintenfischhaut inspiriert zu neuartigen „Flüssigkeitsfenstern“ für größere Energieeinsparungen

Jennifer Ouellette – 2. Februar 2023, 21:01 Uhr UTC Tintenfische und mehrere andere Kopffüßer können dank der einzigartigen Struktur ihrer Haut schnell die Farben ihrer Haut verändern. Ingenieure an der Universität

Jennifer Ouellette – 2. Februar 2023, 21:01 Uhr UTC

Tintenfische und mehrere andere Kopffüßer können dank der einzigartigen Struktur ihrer Haut schnell die Farbe ihrer Haut verändern. Ingenieure der Universität Toronto haben sich vom Tintenfisch inspirieren lassen, um einen Prototyp für „Flüssigkeitsfenster“ zu entwickeln, der die Wellenlänge, Intensität und Verteilung des durch diese Fenster durchgelassenen Lichts verändern und so erhebliche Energiekosten einsparen kann. Sie beschrieben ihre Arbeit in einem neuen Artikel, der in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

„Gebäude verbrauchen eine Menge Energie, um die Innenräume zu heizen, zu kühlen und zu beleuchten“, sagte Co-Autor Raphael Kay. „Wenn wir die Menge, Art und Richtung der Sonnenenergie, die in unsere Gebäude eindringt, strategisch steuern können, können wir den Arbeitsaufwand für Heizungen, Kühler und Lichter erheblich reduzieren.“ Kay stellt sich Gebäude gerne als lebende Organismen vor, die auch eine „Haut“ haben, also eine äußere Schicht aus Außenfassaden und Fenstern. Diese Merkmale sind jedoch weitgehend statisch und schränken die Optimierung des Gebäude-„Systems“ bei sich ändernden Umgebungsbedingungen ein.

Der Einbau von Jalousien, die sich öffnen und schließen lassen, ist eine einfache Möglichkeit, die Beleuchtungs- und Heiz-/Kühlsysteme zu entlasten. Eine anspruchsvollere Option sind elektrochromatische Fenster, die ihre Opazität ändern, wenn eine Spannung angelegt wird. Laut Kay sind diese Systeme jedoch teuer, haben komplizierte Herstellungsprozesse und eine begrenzte Auswahl an Opazitäten. Es ist auch nicht möglich, einen Teil einer Fensterscheibe zu beschatten, einen anderen jedoch nicht.

Deshalb ließen sie sich von der Natur inspirieren. Letztes Jahr bauten die Ingenieure aus Toronto ein System mit Anordnungen optofluidischer Zellen, die von marinen Arthropoden wie Krill, Krabben und Fischen wie Tilapia inspiriert sind und Pigmentkörnchen in ihrer Haut verteilen und sammeln können, um ihre Farbe und Schattierung zu ändern. Diese Prototypzellen bestanden aus einer dünnen Schicht Mineralöl zwischen zwei transparenten Kunststofffolien. Durch das Einspritzen einer kleinen Menge Wasser, das ein Pigment oder einen Farbstoff enthält, durch einen Schlauch, der mit der Zellmitte verbunden ist, entsteht eine Farbblüte. Die Form der Blüte ist an die Durchflussmenge gebunden, die über eine digitale Pumpe gesteuert werden kann. Eine niedrige Durchflussrate erzeugt kreisförmige Blüten; Schnellere Durchflussraten erzeugen komplizierte Verzweigungsmuster:

Tintenfischhaut ist durchscheinend und verfügt über eine äußere Schicht aus Pigmentzellen, sogenannten Chromatophoren, die die Lichtabsorption steuern. Jeder Chromatophor ist an Muskelfasern befestigt, die die Hautoberfläche auskleiden, und diese Fasern wiederum sind mit einer Nervenfaser verbunden. Es ist eine einfache Sache, diese Nerven mit elektrischen Impulsen zu stimulieren, wodurch sich die Muskeln zusammenziehen. Und weil die Muskeln in unterschiedliche Richtungen ziehen, dehnt sich die Zelle zusammen mit den pigmentierten Bereichen aus und verändert ihre Farbe. Wenn die Zelle schrumpft, schrumpfen auch die pigmentierten Bereiche.

Unter den Chromatophoren befindet sich eine separate Schicht aus Iridophoren. Im Gegensatz zu den Chromatophoren basieren die Iridophore nicht auf Pigmenten, sondern sind ein Beispiel für strukturelle Farbe, ähnlich den Kristallen in den Flügeln eines Schmetterlings, mit der Ausnahme, dass die Iridophore eines Tintenfischs dynamisch und nicht statisch sind. Sie können so eingestellt werden, dass sie Licht verschiedener Wellenlängen reflektieren. Eine Arbeit aus dem Jahr 2012 legte nahe, dass diese dynamisch einstellbare Strukturfarbe der Iridophore mit einem Neurotransmitter namens Acetylcholin zusammenhängt. Die beiden Schichten wirken zusammen, um die einzigartigen optischen Eigenschaften der Tintenfischhaut zu erzeugen.