Biomimetics of multifunctional butterfly scale nanostructures

Abstract

Butterflies benefit from a variety of multifunctional nanostructures on their wing scales. This work aimed to investigate different kinds of butterfly scales on a micrometer and nanometer scale using electron microscopy for potential applications in thermoregulation of buildings. Beyond this, thermal imaging and HSI (hyperspectral imaging) were used to link structural peculiarities to conspicuous thermal features. Recent research on scent scales – special scales, used by butterflies to distribute pheromones – indicates that they exhibit interesting thermal properties. With the FIB technique (focused ion beam in a scanning electron microscope) it was managed to cut into single scales, to analyze the cross-sections of these structures and to provide first expert guesses about structure-function relationships. Color scales, scent scales and reflective scales from various butterfly species were compared, to determine whether specific nanostructures could be responsible for thermal features such as passive radiative cooling. Different techniques and materials to mold these nanostructures were tested, for later transfer into materials of application. Weathering experiments in a climate chamber shall provide first insights into the thermal durability of chitin butterfly wing scale nanostructures. Furthermore, some alternative approaches on how to implement thermal optimization properties into facades of buildings are provided.

Schmetterlinge profitieren von einer Vielfalt von multifunktionalen Nanostrukturen auf ihren Flügelschuppen. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener Arten von Schmetterlingsschuppen im Mikro- und Nanometerbereich mittels Elektronenmikroskopie für potentielle Anwendungsbereiche in der Thermoregulierung von Gebäuden. Darüber hinaus wurden Wärmebildverfahren und hyperspektrale Bildgebungsmethoden eingesetzt um strukturelle Besonderheiten mit thermischen Auffälligkeiten zu verknüpfen. Aktuelle Forschung an Duftschuppen – spezielle Schuppen, die von Schmetterlingen genutzt werden um Pheromone zu verbreiten – lässt interessante thermische Eigenschaften vermuten. Mittels FIB (fokussierter Ionenstrahl im Rasterelektronenmikroskop) gelang es, in einzelne Schuppen zu schneiden, um deren Querschnitte zu analysieren und erste Expertenabschätzungen bezüglich Struktur-Funktionsbeziehungen zu erarbeiten. Farbige Schuppen, Duftschuppen und reflektierende Schuppen von diversen Schmetterlingsarten wurden verglichen, um herauszufinden, ob spezielle Nanostrukturen für thermische Eigenschaften wie passive Strahlungskühlung verantwortlich sein könnten. Verschiedene Techniken und Materialien zur Abformung der Nanostrukturen wurden für den späteren Transfer in Anwendungsmaterialien getestet. Witterungsversuche in einer Klimakammer sollen erste Aufschlüsse über die thermische Haltbarkeit von Chitin-Nanostrukturen auf Schmetterlingsflügelschuppen geben. Des Weiteren werden einige alternative Ansätze vorgestellt, wie thermische Optimierungseigenschaften in Gebäudefassaden umgesetzt werden können.