Knopen van glas

Minuscule lenzen en glazen uitsteeksels in zeedieren inspireren Joanna Aizenberg tot nieuwe optische systemen.

SLANGSTERREN en sponzen, twee groepen zeedieren, hebben in de loop van de evolutie optische systemen ontwikkeld die superieur zijn aan onze hedendaagse technologie. Dat betoogt bioloog en chemicus Joanna Aizenberg. Als onderzoeker bij het Amerikaanse Bell Laboratories/Lucent Technologies is zij sinds 1998 in organismen op zoek naar materiaaleigenschappen waar wetenschappers en ingenieurs iets van kunnen leren. Met succes. Aizenberg vond slangsterren (verwant aan de zeester) die microlenzen gebruiken die ``optisch bijna perfect'' zijn. Ze vervaardigde een synthetische microlenzen-matrix die profiteert van de voordelen van het biologische voorbeeld.

Daarnaast publiceerde Aizenberg in Nature over de diepzee-glasspons Euplectella, die op meer dan duizend meter diepte licht verzamelt met een krans van sprietjes die lijken op moderne optische glasvezels. ``In de natuur is miljarden jaren geleden een structuur ontstaan die sterk lijkt op hetgeen onze ingenieurs pas twintig jaar geleden bedachten'', aldus Aizenberg vorige maand tijdens een presentatie op het jaarlijkse congres van de American Association for the Advancement of Science, de uitgever van Science. ``Maar er zijn verschillen. De biologische structuur heeft tal van voordelen. In de natuur kunnen we de inspiratie vinden om ons ontwerp van optische systemen ingrijpend te veranderen.''

De natuur als inspirator van ingenieurs is niet nieuw. De anatomie van het oor hielp Alexander Graham Bell (grondlegger van de Bell Laboratories) bij de constructie van de eerste microfoon. Wel is het zo dat nieuwe technologie wetenschappers de kans geeft om de natuur op steeds kleinere schaal te bespieden en te imiteren.

Aizenberg bestudeerde het skelet van de glasspons Euplectella onder de elektronenmicroscoop. Dat skelet ziet eruit als een korf met aan de onderkant een kroon van stekels (spiculae). Ze zijn vijf tot tien centimeter lang en 40 tot 70 micrometer in diameter. Door laagje voor laagje weg te etsen ontdekte Aizenberg dat de stekels zijn opgebouwd uit drie concentrische laagjes van silica (glas), de kern van de uitsteeksels is verrijkt met natrium.

De structuur van de spiculae lijkt op die van glasvezel. Optische vezels bestaan uit een kern van silica (siliciumoxide) dat is verrijkt met een ander element (om het lichtsignaal beter te geleiden), daaromheen pure silica (dat het licht reflecteert) en een coating aan de buitenkant die tegen breuk beschermt.

Aizenberg analyseerde de spiculae met apparatuur die is bedoeld om de optische eigenschappen van glasvezels te bepalen: ``De spiculae bleken een verbazend vermogen hebben om licht te geleiden en op te vangen, mede dankzij lenzen aan de uiteinden. De spiculae zijn bovendien zo sterk en buigzaam dat je er een knoop in kan leggen zonder dat ze breken. Ze hebben daarvoor niet de coating nodig die wij gebruiken voor onze glasvezels. Daar komt bij dat glasvezels bij zeer hoge temperaturen worden gemaakt. Dit organisme maakt glas bij `normale' temperaturen. Een van de voordelen daarvan is dat de kristalstructuur regelmatiger is dan die van commerciële vezels.''

Aizenberg typeert de spons als `de vuurtoren van de diepzee': ``Het organisme huisvest twee garnalen, een mannetje en een vrouwtje. Die kunnen hun leven lang niet uit de kooi ontsnappen en leven van organismen die waarschijnlijk door het licht worden aangetrokken.''

Aizenberg hoopt de uitsteeksels van de glasspons in de toekomst na te maken. Met de imitatie van een ander zeedier, de aan zeesterren verwante slangsterren, is zij al veel verder gevorderd. Met de elektronenmicroscoop ontdekte ze dat sommige slangsterren (waaronder Ophiocoma wendtii) op de bovenzijde van hun armen raamwerken van halfronde kristallen dragen. Aizenberg bewerkte deze skeletonderdelen en liet er licht doorheen vallen op een fotogevoelige laag: de kristallen bleken te werken als microlenzen met een brandpuntsafstand van 4 tot 7 micrometer.

De slangsterlenzen zijn relatief dik. Dikke lenzen vormen voor lenzenslijpers een probleem, omdat licht dat er doorheen valt niet goed gebundeld wordt in één punt (bij dunne lenzen gebeurt dat wel). Aizenberg ontdekte dat de vorm van de slangsterlens de ideale vorm van een dikke lens zonder deze zogeheten sferische aberratie benadert. De lens had een lichtversterkende werking van vijftig (het licht in het brandpunt is vijftig keer intenser dan het licht dat op de lens valt). ``Als de lens in een vloeistof ligt zijn de resultaten waarschijnlijk nog beter'', aldus Aizenberg. De slangsterlens is gemaakt van calciet (CaCO3), dat is bros en daarom doorgaans geen goed constructiemateriaal. Aizenberg: ``Het organisme verwerkt organische moleculen in het lensmateriaal waardoor het minder breekbaar wordt.''

De slangster Ophiocoma wendtii is 's nachts grijswit gestreept, maar in daglicht donkerbruin. Dat is een slechte strategie voor een organisme dat niet wil opvallen. Volgens Aizenberg gebruikt de slangster de kleurveranderingen om zich te beschermen tegen al te intense zonnestralen. Het dier verandert van kleur wanneer pigmentdeeltjes die verborgen liggen in holtes van zijn skelet door minuscule kanaaltjes over de lenzen heen schuiven als ``een soort zonnebrillen''. 's Nachts trekt de slangster de pigmentdeeltjes weer terug.

Een slangster kan schaduwen herkennen en verbergt zich daarom in een rotsspleet als een belager tot op enkele centimeters nadert. Dat gedrag kwam als een verrassing voor biologen die ervanuit gingen dat de slangsterren hun lichtgevoeligheid te danken hebben aan eenvoudige sensoren op het huidoppervlak. Met dergelijke sensoren valt immers niet de richting van invallend licht vast te stellen. Aizenberg kwam erachter dat in het brandpunt van de slangsterlens een zenuwbundel ligt die qua omvang goed overeenkomt met de grootte van dat brandpunt. Ze veronderstelt dat de slangster zijn lenzensysteem kan aansturen door het oppervlak van zijn armen te bewegen. Zo bepaalt hij mogelijk ook de richting vanwaaruit een belager opduikt.

Aizenberg gebruikte de matrix van microlenzen van de slangster als uitgangspunt voor de fabricage van een microlens array, een matrix van lenzen die lichtstralen op zeer kleine schaal kan bundelen. Microlenzen-matrices worden toegepast in projectoren, digitale camera's en schakelingen bij glasvezels. Matrices van microlenzen worden vervaardigd door het gewenste gaatjes patroon op een oppervlak te etsen (lithografie). Geïnspireerd door de slangster bewandelde Aizenberg de omgekeerde weg: ze liet de calcietkristallen groeien (kristalliseren) op een van te voren vastgelegd micropatroon van calcietkernen.

Aizenberg verkreeg met deze methode een matrix van lenzen waarbij materiaal dat tussen de lenzen ligt poreus is, net als bij de slangenster. ``De slangenster gebruikt de gaatjes voor het transport van pigmentdeeltjes'', zegt Aizenberg. ``Maar dit soort structuren zijn ook geschikt om een matrix van lenzen te voorzien van vloeistof die je gebruikt om de karakteristieken van lenzen aan te passen.''