Skalbaggens vingar reflekterar framtidens optik

Det är försommar, och Kenneth Järrendahl äter lunch utomhus tillsammans med några kollegor när ett av hans studieobjekt kommer på oväntat besök. Den landar tungt på en av de små luddiga, flaskborstliknande blommorna i gräsmattan – rödkämpar heter de visst. Där sitter den och skimrar, som en liten bortkommen grön julgranskula.

– Är det en gräsgrön guldbagge? Ja, det är det!

Kenneth Järrendahl grämer sig över att han inte har med sig något polariserande filter.

– Då hade jag kunnat visa effekten på en gång, säger han.

Kenneth Järrendahl är professor på institutionen för fysik, kemi och biologi här vid Linköpings universitet och chef för enheten för materialoptik.

En stund senare går vi in i hans labb i fysikhuset, och då får han chansen att demonstrera vad han menar. I en vit pappask sitter den gräsgröna guldbaggen på en nål bland andra vackra skalbaggar. Kenneth Järrendahl tar fram ett par enkla 3D-glasögon med papp­bågar, sådana som man har när man ser en 3D-film på bio. När han håller det vänstra ögats filter över skalbaggen syns ingen skillnad, utom att den blir lite mörkare. När vi i stället tittar genom det högra glasögat blir skalbaggen alldeles svart.

– Den gräsgröna guldbaggen är en av dem som har den tydligaste effekten, säger han och jämför med de andra.

Ljus som reflekteras från skalbaggens skal blir polariserat på ett speciellt sätt: nära nog cirkulärpolariserat. Ljuset är en elektro­magnetisk vågrörelse, och om ljuset är polariserat innebär det att fältets svängning är ordnad på ett visst sätt. Planpolariserat ljus svänger i ett och samma plan hela tiden. I elliptiskt eller cirkulärt polariserat ljus vrider sig svängningsplanet runt medan ljuset färdas framåt. Fältets svängningar kan vrida sig åt höger eller åt vänster, och 3D-glasögonen är gjorda så att de släpper igenom den ena sorten till det ena ögat och andra sorten till det andra ögat. Den gräsgröna guldbaggens täckvingar är så bra på att vänsterpolarisera ljuset att den ser helt svart ut genom ett filter som bara släpper igenom högerpolariserat ljus.

Effekten är olika stark i olika riktningar och för olika våglängder av ljus. Det har Kenneth Järrendahl och hans medarbetare undersökt för ett antal olika skalbaggsarter, här i sitt laboratorium. Tekniken kallas ellipsometri, eftersom den mäter polariseringsellipsens egenskaper i spannet mellan helt plan polarisering och helt cirkulär. Genom att mäta hur ett material förändrar ljusets polarisering kan forskarna få fram information om brytningsindex, absorption, tjocklek och andra egenskaper hos materialet.

Men det är inte lätt. Principen har varit känd sedan 1800-talet, men den sortens mätningar som Kenneth Järrendahl och hans kollegor gör här tog fart först på 1970-talet efter att datorer hade blivit tillgängliga. För att kunna tolka mätningarna behöver forskarna göra en optisk modell av materialet, och det är inte helt enkelt.

– Vi kan mäta under en eftermiddag och sedan analysera mätningarna i ett halvår, säger Kenneth Järrendahl.

Mätningar av de optiska egenskaperna kompletteras med avancerad elektronmikroskopi, för att förstå hur skalbaggsskalet kan ge de här speciella effekterna.

Det har visat sig att materialet i skalbaggarnas hårda täckvingar är uppbyggt i tunna skikt med parallella stavar eller strån av kitin. Varje skikt är lite vridet i förhållande till det föregående.

En av pionjärerna när det gäller att undersöka detta var den amerikanska fysikern och Nobelpristagaren Albert Michelson. Han publicerade en artikel 1911, där han utforskade bland annat polarisering från metallglänsande fåglar och insekter. Redan han förstod att effekten uppkommer i ytstrukturen, men han hade inte tillgång till dagens verktyg.

Här i Linköping började det med Hans Arwin, numera professor emeritus, som var nyfiken på den här optiska egenskapen. Han tog med sig en skalbagge till ett labb i Tyskland för att undersöka den. Sedan uppgraderade forskargruppen i Linköping sin utrustning för att göra samma sorts avancerade mätningar som där. Det här var omkring 2008. Några år senare publicerade de en uppföljning på Michelsons studie efter 100 år.

Sedan har de fortsatt att mäta på skalbaggar. Det är inte bara för att de gillar insekter, utan de vill också försöka återskapa effekten. Det skulle kunna bli användbart i nanooptik. För att kunna göra små optiska kretsar är det viktigt att kunna krympa komponenterna, och då skulle skalbaggens trick komma till pass.

– Vi kan göra det, men inte lika bra som skalbaggarna, säger Kenneth Järrendahls kollega Roger Magnusson.

Han och flera kollegor har jobbat mycket med just att försöka skapa material som är uppbyggt på liknande sätt. De kan inte göra det med kitin, men har testat med andra sätt att efterapa skalbaggsytan.

Roger Magnusson visar en plastmodell av en skruvad pelare som han har gjort i labbets 3D-skrivare. Den föreställer strukturen i ett material som de har konstruerat i nanoskala i ett annat laboratorium intill: smala nanotrådar intill varandra, uppbyggda i atomtunna skikt. Trådarna har växt fram genom att forskarna har låtit atomer avlagras på en yta medan den vrids runt. Forskarna arbetar med att göra detta med olika grundämnen, och så mäter de vilka optiska egenskaper som uppkommer.

Det finns alltså potentiella framtida tillämpningar. Men biologer är också intresserade. En fråga är varför den här effekten alls finns hos vissa typer av skalbaggar.

– Det är för perfekt för att inte vara till någon nytta för skal­baggarna, resonerar Kenneth Järrendahl och pekar på sina grafer av hur polariseringen varierar med färg och vinkel.

Eftersom fåglar som äter insekter inte kan se polariseringen tror Kenneth Järrendahl att det är en signal mellan skalbaggarna, för att de lättare ska hitta en partner av rätt art. Han reserverar sig genast med att det här bara är spekulationer, för han är ju fysiker och inte biolog. Huruvida skalbaggarna ens kan se fenomenet själva är också föremål för diskussion bland insektsforskare. Biologerna vet att skalbaggarna kan se planpolariserat ljus, men har inte lyckats ta reda på om de ser skillnad på ljus som är elliptiskt polariserat.

Det finns andra effekter som kan uppstå i ytor som är uppbyggda på särskilda sätt. En sådan är strukturella färger, som uppstår utan pigment. En besläktad effekt är iridescens – eller irisering som det också kallas – som gör att färgen skiftar beroende på från vilket håll man ser den, som i en såpbubbla. Båda de här fenomenen är vanliga i fågelfjädrar, och det är något som forskare här i labbet undersöker just nu.

Biologen Wioleta Rasmus håller till i det innersta rummet i ellipsometrilabbet. Framför sig har hon en liten hög med metallbrickor som hon klistrat bitar av fjädrar på och märkt med olika referensnummer. Fjäderproverna kommer från djungelhöns, som har större genetisk variation än tamhöns. Wioleta Rasmus hoppas kunna hitta vilka genetiska faktorer som styr strukturen i fjädrarna. Hon söker efter kopplingen genom att göra noggranna mätningar av fjädrarnas färgegenskaper hos olika fågelindivider och samtidigt analysera deras gener.

– Jag gillar kombinationen av biologi och fysik, säger Wioleta Rasmus.

Forskningen här är verkligen tvärvetenskaplig. När forskargruppen ska undersöka hur strukturerna i fjädrarna är uppbyggda använder de svepelektronmikroskop. Då får de hjälp av forskare på universitetssjukhuset, som är vana vid att hantera mjuka material.

Wioleta Rasmus visar hur hon gör sina färgmätningar. Hon sätter ett fjäderprov i apparaten – med dubbelhäftande tejp, ett mycket viktigt vetenskapligt redskap – och skickar ljus mot det. Sedan ställer hon in ljussensorn i olika vinklar, och visar på en datorskärm hur mängden ljus av olika våglängder ändras.

Instrumentet är egentligen konstruerat för att mäta polarisering och inte ljusmängd, så hon använder en annan typ av sensor. När hon gör sina mätningar brukar Wioleta Rasmus dessutom vanligtvis släcka ner och sitta i mörker. När vi hissar upp mörkläggningsgardinen för att fotografera ser hon förbluffad ut.

– Jag visste inte att det fanns ett fönster där! utbrister hon och skrattar.

Utanför skiner solen. Ljuset reflekteras mot naturens många ytor och nanostrukturer. Den gräsgröna guldbaggens hemlighet lär vara besläktad med många andra, både kända och okända.