Wie das Streifenhörnchen zu seinen 13 Streifen kommt
Physikalischen Plasmen ermöglichen neues Verständnis für Musterentstehung.
Von Zebrastreifen über Leopardenpunkte zu Honigwaben: scheinbar wie von selbst bilden sich Muster in der Natur aus. Um deren Entstehung verstehen zu können, haben Wissenschaftler eine Plasmaapparatur gebaut, die Untersuchungen an dreidimensionalen Mustern erlaubt.
Abb.: Schematische Darstellung der räumlichen Musterverteilung entlang der z-Achse in drei Querschnittsebenen A, B und C: (a) Skizze des dreidimensionalen Musters, (b-d) räumliche Verteilung der Entladungsmuster in den Ebenen A, B und C. (Bild: Universität Hebei)
Das spezielle, H-förmige System erzeugt mittels sogenannter dielektrisch behinderter Entladungen (DBD für englisch: dielectric barrier discharges) Stränge von Plasmaentladungen, die ein weites Spektrum an Mustern annehmen können. Durch Beobachtung und mathematische Modellierung dieser Muster können Forscher nun die komplexen Mechanismen der Musterbildung untersuchen und unter Umständen auch die vielfältigen natürlich vorkommenden Muster erzeugen. „Die Einrichtung eines DBD-Systems zur Erzeugung von 3-D-Mustern sollte die Wissenschaft der Musterbildung entscheidend voranbringen,“ sagte Lifang Dong, Professorin an der Hebei Universität in China.
Vor bereits über 60 Jahren schlug Alan Turing ein einfaches mathematisches Model vor, das erklärte wie sich in sogenannten Reaktions-Diffusions-Systemen spontan Strukturen bilden können. Das Modell schlägt vor, dass sich zwei interagierende Flüssigkeiten bei ihrer Verteilung als streifen- oder punktförmig ausrichten können. Seitdem wurde das Modell zur Erklärung vieler Musterbildungen in der Natur, wie z. B. der Ausbildung von Punkten auf Leopardenfellen, Haarfollikeln auf Mäusehäuten oder gar von Rillenbildungen an Gaumen von Mäuseembrios erfolgreich herangezogen. Diese Studien waren allerdings alle auf ein- oder zweidimensionale Experimente beschränkt. Auf molekularer Ebene sind alle in der Natur vorkommenden Muster hingegen dreidimensional.
Eine DBD-Entladung hat entscheidende Vorteile gegenüber anderen Systemen, wie Dong und ihre Kollegen diese Woche in der Fachzeitschrift Physics of Plasmas beschreiben. Nun kann nicht nur eine große Anzahl verschiedener Muster erzeugt werden, sie sind darüber hinaus auch noch deutlich und einfach darzustellen. Weiterhin kann eingehend untersucht werden, wie die Muster sich über Raum und Zeit verändern. Während sich in Experimenten auf chemischer Basis Muster erst in Stunden oder Tagen ausbilden, ist der gleiche Vorgang in den Plasmaentladungen eine Sache von Sekunden.
In der Apparatur werden Gasentladungen durch einige schmale, von der Seite aus betrachtet H-förmige Spalte erzeugt. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wird aufgenommen, wie sich diese Gasentladungen verändern, wenn die Betriebsparameter der Anlage, wie z. B. die Spannung verändert werden.
Abb.: Erste Erfolge in der Nachbildung natürlicher Muster: das mittels DBD-Plasma erzeugte Punkt-Strich-Muster (links) ist dem Streifenmuster des Dreizehnstreifenhörnchens (rechts) ähnlich. (Bild: Universität Hebei)
Die Wissenschaftler haben in ihrer Anlage bereits verschiedene, in der Natur beobachtbare Muster generieren können. So haben Sie z. B. die auffällige Punkt- und Strich-Zeichnung der Dreizehnstreifenhörnchen nachbilden können. Die physikalischen Experimente lassen vermuten, dass sich die dieser Musterbildung zugrundeliegenden Mechanismen nicht durch Turings Reaktionsdiffusionsgleichungen beschreiben lassen.
Die strukturierten Plasmen eignen sich nicht nur zur Aufklärung biologischer Zusammenhänge. Möglicherweise können sie auch bei der Produktion einstellbarer photonischer Kristalle hilfreich sein. Photonische Kristalle kontrollieren und kanalisieren Lichtstrahlen und können in Bauteilen für Telekommunikationssysteme, wie z. B. in Mikrowellenfiltern, optischen Schaltern oder Wellenleitern zum Einsatz kommen. Sie werden für gewöhnlich aus Materialien mit unterschiedlicher Brechkraft hergestellt. Setzt man stattdessen jedoch veränderbare Muster aus Plasmaentladungen ein, können die Baugruppen jeweils gezielt eingestellt werden.
AIP / LK
