News: Spitzen-Glasfaser
Mit einigem Aufwand stellt der Mensch Glasfasern für die schnelle optische Datenübermittlung her. Wie sich zeigt, kann der Gießkannenschwamm das jedoch viel besser.
© (Ausschnitt)
Der Gießkannenschwamm Euplectella gehört zu den kuriosen Meeresbewohnern. So bildet sein filigran-löchriges Stützskelett äußerst zerbrechlich wirkende Schläuche, Trichter und Vasen von bis zu 60 Zentimetern Größe. Doch ganz so fragil, wie es den Anschein hat, ist der strahlend weiße Schwamm offensichtlich nicht gebaut. Denn im Inneren der röhrenförmigen Lebewesen findet sich häufig ein Pärchen der symbiontischen Garnele Spongicola venusta. Irgendwann als Larve in den Hohlraum gelangt, vermögen die Krebse als ausgewachsene Tiere ihrem lebenden Gefängnis nicht mehr zu entrinnen. Erst der Nachwuchs kann das Domizil verlassen.
Wohl aufgrund dieser lebenslangen Liaison in Weiß hat sich in Japan der Brauch entwickelt, die seltsamen netzstrumpfartigen Gebilde anlässlich von Hochzeiten zu verschenken. Dabei können sich die Schwammtaucher glücklich schätzen, dass sie den eigentümlichen Meeresbewohner auch aus vergleichsweise seichten 40 Metern Tiefe holen können. Denn eigentlich fühlt sich Euplectella vor allem in einigen hundert bis zu mehreren tausend Metern Wassertiefe wohl – ein Tiefseebewohner, wie er im Buche steht.
Dort am Meeresgrund setzt sich der Schwamm mit einem dichten Büschel feiner, einige Zentimeter langer Kieselsäure-Fortsätze im schlammigen Boden fest. Diese Schwammnadeln oder Basal-Spiculae haben es den Forschern um Vikram Sundar von den Bell Laboratories im amerikanischen Murray Hill angetan. Vor allem für die optischen Eigenschaften der Fortsätze interessieren sie sich, denn schließlich bestehen diese weitgehend aus dem gleichen Material wie Glasfasern, die der schnellen optischen Datenübertragung dienen. Und so wollten Sundar und seine Kollegen untersuchen, inwieweit sich auch die Schwammnadeln des Gießkannenschwamms als Glasfaser missbrauchen lassen.
Schon der Aufbau der Spiculae erschien vielversprechend: So bestehen die 40 bis 70 Mikrometer dünnen Fasern aus drei unterschiedlichen konzentrischen Zonen. Der Kernbereich von rund zwei Mikrometern Durchmesser ist aus reinem Siliciumdioxid, das einen feinen organischen Faden umschließt. Der ganze Kernbereich ist seinerseits umgeben von einem Zylinder aus einem Material mit besonders hohem organischen Anteil. Und schließlich ist das Ganze von rindenartigen Schalen mit nach außen abnehmendem organischen Gehalt umschlossen, die im Querschnitt ein wenig an die Jahresringe eines Baumes erinnern. Die einzelnen Schichten sind dabei mit einer Art organischen Kleisters zusammengeklebt.
Sundar und Co nahmen an, dass diese Struktur, die in der Tat stark an ein Glasfaserkabel erinnert, sich auch irgendwie in den optischen Eigenschaften der Spiculae widerspiegelt. Doch wie sehr das natürliche Material dem künstlichen ähnelt und es in mancherlei Hinsicht sogar übertrumpft, dürfte auch die Forscher überrascht haben. So erweist sich eine freie Schwammnadel als ausgezeichneter Lichtleiter über ein breites Farbspektrum. Eine in Epoxidharz eingegossene Faser eignet sich hingegen besonders für das Licht einer bestimmten Wellenlänge. Während im ersten Fall die gesamte Faser von Licht durchströmt wird und nur an den Grenzflächen zur Luft aufgrund von Totalreflexion das Licht wieder in das Innere der Faser zurückgeworfen wird, ist bei der ummantelten Faser nur das Kernstück hell erleuchtet.
Der Grund für die Licht leitenden Eigenschaften der Spiculae ist wie beim Glasfaserkabel der vergleichsweise große Brechungsindex des Materials, der seinerseits ein Maß für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes im jeweiligen Medium ist. Trifft ein Lichtstrahl von einem optischen dichten Medium mit hoher Brechzahl auf ein weniger dichtes mit entsprechend geringer Brechzahl, dann wird der Strahl vom Lot weg gebrochen. Das heißt, er verlässt das Material in einem flacheren Winkel als demjenigen, in dem er auf die Grenzfläche traf. Ist der Übergang zwischen den Brechzahlen besonders groß, kann es zur Totalreflexion kommen. Dabei wird der Lichtstrahl nun nicht mehr unter flachem Winkel gebrochen, sondern an der Grenzfläche zurück ins optisch dichte Material reflektiert. Während bei den freien Spiculae der Übergang zwischen Faser und Luft das Licht im Leiter hält, macht sich bei den ummantelten Spiculae vor allem der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem reinen Siliciumdioxid-Kern und den organisch angereicherten Mittelschichten bemerkbar. Ganz ähnliches Know-how nutzen die Hersteller so genannter Gradientenfasern, bei denen sich der Brechungsindex ebenfalls mit dem Radius ändert.
Doch Euplectella weiß nicht nur mit optischen Eigenschaften zu glänzen, auch die mechanischen Attribute der Schwammnadeln können sich durchaus sehen lassen. So sind die Spiculae deutlich stabiler als echte Glasfasern, die leicht brechen, wenn sie zu stark gebogen werden. Die Spiculae hingegen scheinen davor weitgehend gefeit. Offenbar verdanken sie ihre mechanische Stabilität ihrem lagenartigen Aufbau mit organischen Zwischenschichten.
Bleibt die Frage, ob die optischen Vorzüge nun zufällig entstanden sind, oder ob sich die Natur dabei etwas gedacht hat? Sundar und seine Kollegen haben derzeit noch keine Antwort parat. Aber zumindest prinzipiell würden die Schwammnadeln ein hocheffizientes Netzwerk zur Verbreitung von Licht bilden, meinen die Forscher. Wozu das jedoch dienen könnte, ist eine andere Frage, denn schließlich verirrt sich kein Lichtstrahl auf den mehrere tausend Meter tiefen Grund der Ozeane.
Wohl aufgrund dieser lebenslangen Liaison in Weiß hat sich in Japan der Brauch entwickelt, die seltsamen netzstrumpfartigen Gebilde anlässlich von Hochzeiten zu verschenken. Dabei können sich die Schwammtaucher glücklich schätzen, dass sie den eigentümlichen Meeresbewohner auch aus vergleichsweise seichten 40 Metern Tiefe holen können. Denn eigentlich fühlt sich Euplectella vor allem in einigen hundert bis zu mehreren tausend Metern Wassertiefe wohl – ein Tiefseebewohner, wie er im Buche steht.
Dort am Meeresgrund setzt sich der Schwamm mit einem dichten Büschel feiner, einige Zentimeter langer Kieselsäure-Fortsätze im schlammigen Boden fest. Diese Schwammnadeln oder Basal-Spiculae haben es den Forschern um Vikram Sundar von den Bell Laboratories im amerikanischen Murray Hill angetan. Vor allem für die optischen Eigenschaften der Fortsätze interessieren sie sich, denn schließlich bestehen diese weitgehend aus dem gleichen Material wie Glasfasern, die der schnellen optischen Datenübertragung dienen. Und so wollten Sundar und seine Kollegen untersuchen, inwieweit sich auch die Schwammnadeln des Gießkannenschwamms als Glasfaser missbrauchen lassen.
Schon der Aufbau der Spiculae erschien vielversprechend: So bestehen die 40 bis 70 Mikrometer dünnen Fasern aus drei unterschiedlichen konzentrischen Zonen. Der Kernbereich von rund zwei Mikrometern Durchmesser ist aus reinem Siliciumdioxid, das einen feinen organischen Faden umschließt. Der ganze Kernbereich ist seinerseits umgeben von einem Zylinder aus einem Material mit besonders hohem organischen Anteil. Und schließlich ist das Ganze von rindenartigen Schalen mit nach außen abnehmendem organischen Gehalt umschlossen, die im Querschnitt ein wenig an die Jahresringe eines Baumes erinnern. Die einzelnen Schichten sind dabei mit einer Art organischen Kleisters zusammengeklebt.
Sundar und Co nahmen an, dass diese Struktur, die in der Tat stark an ein Glasfaserkabel erinnert, sich auch irgendwie in den optischen Eigenschaften der Spiculae widerspiegelt. Doch wie sehr das natürliche Material dem künstlichen ähnelt und es in mancherlei Hinsicht sogar übertrumpft, dürfte auch die Forscher überrascht haben. So erweist sich eine freie Schwammnadel als ausgezeichneter Lichtleiter über ein breites Farbspektrum. Eine in Epoxidharz eingegossene Faser eignet sich hingegen besonders für das Licht einer bestimmten Wellenlänge. Während im ersten Fall die gesamte Faser von Licht durchströmt wird und nur an den Grenzflächen zur Luft aufgrund von Totalreflexion das Licht wieder in das Innere der Faser zurückgeworfen wird, ist bei der ummantelten Faser nur das Kernstück hell erleuchtet.
Der Grund für die Licht leitenden Eigenschaften der Spiculae ist wie beim Glasfaserkabel der vergleichsweise große Brechungsindex des Materials, der seinerseits ein Maß für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes im jeweiligen Medium ist. Trifft ein Lichtstrahl von einem optischen dichten Medium mit hoher Brechzahl auf ein weniger dichtes mit entsprechend geringer Brechzahl, dann wird der Strahl vom Lot weg gebrochen. Das heißt, er verlässt das Material in einem flacheren Winkel als demjenigen, in dem er auf die Grenzfläche traf. Ist der Übergang zwischen den Brechzahlen besonders groß, kann es zur Totalreflexion kommen. Dabei wird der Lichtstrahl nun nicht mehr unter flachem Winkel gebrochen, sondern an der Grenzfläche zurück ins optisch dichte Material reflektiert. Während bei den freien Spiculae der Übergang zwischen Faser und Luft das Licht im Leiter hält, macht sich bei den ummantelten Spiculae vor allem der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem reinen Siliciumdioxid-Kern und den organisch angereicherten Mittelschichten bemerkbar. Ganz ähnliches Know-how nutzen die Hersteller so genannter Gradientenfasern, bei denen sich der Brechungsindex ebenfalls mit dem Radius ändert.
Doch Euplectella weiß nicht nur mit optischen Eigenschaften zu glänzen, auch die mechanischen Attribute der Schwammnadeln können sich durchaus sehen lassen. So sind die Spiculae deutlich stabiler als echte Glasfasern, die leicht brechen, wenn sie zu stark gebogen werden. Die Spiculae hingegen scheinen davor weitgehend gefeit. Offenbar verdanken sie ihre mechanische Stabilität ihrem lagenartigen Aufbau mit organischen Zwischenschichten.
Bleibt die Frage, ob die optischen Vorzüge nun zufällig entstanden sind, oder ob sich die Natur dabei etwas gedacht hat? Sundar und seine Kollegen haben derzeit noch keine Antwort parat. Aber zumindest prinzipiell würden die Schwammnadeln ein hocheffizientes Netzwerk zur Verbreitung von Licht bilden, meinen die Forscher. Wozu das jedoch dienen könnte, ist eine andere Frage, denn schließlich verirrt sich kein Lichtstrahl auf den mehrere tausend Meter tiefen Grund der Ozeane.
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