Zur Synthese von Edelopalen - die Kunst des Käfers

(openPR) Die Herstellung synthetischer Edelopale, also Opalen, die in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften mit ihrem natürlich entstandenen Vorbild übereinstimmen, erfolgt üblicherweise in vier Schritten:
Erstens die Herstellung nahezu gleich großer (monodisperser) Silica-Partikel in Kugelform und einer Größe von ca. 250-350 Nanometern.

Zweitens die Anordnung dieser Kügelchen zu einer dreidimensional periodischen Dichtestpackung, die Ursache für das bekannte Farbspiel ist.
Drittens die Trocknung und Verfestigung der Anordnung, sowie im vierten und letzten Schritt die Verfüllung der Porenräume zwischen den Partikeln, die in einer Dichtestpackung unporöser kugeliger Partikel immerhin 26% beträgt.
Der erste Schritt ist durch die bekannte Stöber-Synthese leicht zu realisieren [1].
Und auch der zweite Schritt wird im Allgemeinen durch eine sedimentative Anordnung der Partikel erreicht und ist abgesehen von einem variablen Zeitaufwand von bis zu einem Jahr ebenfalls problemlos durchführbar.
Die letzten Schritte sind dagegen kritisch.
Eine rissfreie Trocknung ist z.B. mit Hilfe eines Kritisch-Punkt-Trockners möglich.
Eine Porenverfüllung kann durch das Einbringen weiterer, deutlich kleinerer Partikel in die Dichtestpackung erfolgen und ist dann in mehreren Schritten durchzuführen, um mit steigendem Füllungsgrad eine ausreichende Angleichung der Brechungsindizes von Partikeln und dem Porenmaterial zu erreichen. Auch bei natürlichen Edelopalen wurde diese Methode als Möglichkeit der Stabilisierung bereits erfolgreich angewendet [2].
Beide Prozesse erfordern einen im Vergleich zu den ersten beiden Schritten deutlich höheren apparativen und zeitlichen Aufwand, so dass synthetische Opale, wie die nach ihrem Hersteller benannten Gilson-Opale aufgrund der Produktionskosten nur selten anzutreffen sind und dann zu einem vergleichsweise hohen Preis (A-Qualität Schwarzopal 50-65 USD pro Gramm Rohmaterial).
Weitaus häufiger sind die hauptsächlich aus Asien stammenden Opal-Imitationen, bei denen der Porenraum mit verschieden gefärbtem Kunststoff verfüllt worden ist. Als Massenware hergestellt sind die Imitationen zu günstigen Preisen von 1-2 USD pro Gramm erhältlich, aber durch die Zersetzung des Polymers auch instabil bei Temperaturen höher als 130° Celsius.

Nun haben Wissenschaftler aus Oxford/Vereinigtes Königreich in einer Veröffentlichung aus dem Jahre 2003 erstmals ein biogenes opalines Material beschrieben [3]. In den Panzerschuppen eines Käfers wurde mit Hilfe eines Elektronenmikroskops eher zufällig eine dreidimensional-periodische Anordnung von Kügelchen in Form der opaltypischen Dichtestpackung gefunden, die als Ursache der winkelunabhängigen, metallischen Farbgebung des Käferpanzers gilt.
Strukturell bedingte Farben wurden bisher zwar bei zahlreichen Käferpanzern und Schmetterlingsflügeln gefunden, als Grund jedoch bis vor wenigen Jahren eine zweidimensional-periodische Anordnung organischer Bausteine bestimmt [4].
Neben der hexagonalen Dichtestpackung in den Schuppen des Käferpanzers wurde in einer Untersuchung einer anderen Käferart auch eine kubisch flächenzentrierte Anordnung (Diamantgitter) als Farbursache beschrieben [5].
Fortführende Untersuchungen des Käfers „Metapocyrtus“, der passenderweise im Mutterland des Edelopals Australien gefunden wurde, soll neue Ansätze und Möglichkeiten aufzeigen, im Labor auf einfacherem Wege opaline Materialien herzustellen.
Bereits jetzt gibt es erfolgreiche Versuche, diese organischen Strukturen als Template zur Herstellung photonischer Kristalle zu verwenden [6].
Das Hauptziel der Forschungen besteht jedoch darin, das für die Bildung der dreidimensional-periodischen Strukturen verantwortliche Gen zu identifizieren, um auf diesem Wege eine kontrollierte Präparation zu ermöglichen.

[1] Stöber, W. and A. Fink (1968): "Controlled Growth Of Monodisperse Silica Spheres In The Micron Size Range", Journal of Colloid & Interface Science, 26, 62-69.

[2] Filin, S. V., Puzynin, A. I. (2009): "Prevention of Cracking in Ethiopian Opal", Australian Gemmologist, 23, 579-582.

[3] Parker, R. P. et al. (2003): "Structural colour: Opal analogue discovered in a weevil", Nature, 426, 786-787.

[4] Kinoshita, S. (2008): "Structural Colors in the Realm of Nature", World Scientific Publishing Company.

[5] Galusha, J. W. et al. (2008): "Discovery of a diamond-based photonic crystal structure in beetle scales", Phys. Rev. E, 77, 5, 050904-050908.

[6] Chen, Y. et al. (2009): "Iridescent large-area ZrO2 photonic crystals using butterfly as templates", Applied Physics Letters, 94, 5, 053901-053903.

[7] Seago, A. E. et al. (2009): "Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)", Journal of the Royal Society Interface, 6, 165-184.