Vogelveren onder de loep
Hoe een pauw zijn kleur krijgt
De pauwenveer is een icoon, met zijn zeeblauwe kleur met een iriserende schittering. De kleur is zo puur, dat mensen er al millennia door gefascineerd zijn. Natuurkundige Pascal Freyer is daarop geen uitzondering. In zijn jeugd – hij woonde als kind in Namibië – kwam hij vaak de roodschouderglansspreeuw tegen, een dier waar hij zijn ogen niet vanaf kon houden. Dezelfde glans die deze spreeuw zo bijzonder maakt, zie je echter overal ter wereld: in de blauwe veer van eksters in Europa, bij de kolibries in Amerika en de pauw in Azië.
Die fascinatie heeft Freyer nooit meer losgelaten. Hij was zo vastbesloten om uit te zoeken waar die schittering vandaan komt, dat hij hem onderzocht met behulp van een elektronenmicroscoop. Zo hoopte hij de geheimen van de lichtval en de glinstering te leren kennen. ‘Om uit de natuur inspiratie te halen’, zegt Freyer, ‘en om ervan te leren.’
Pigment
Vogels en hun veren kleuren namelijk fundamenteel anders dan zoogdieren. Kijk naar een rund, een aap, een vos, of zelfs de opvallende luipaarden, zebra’s of reuzenpanda’s. Best mooi, maar vergeleken met het sprankelende blauw en oranje van mandarijneenden, kolibries of pauwen stelt het weinig voor. ‘Dat komt omdat de meeste kleuren die we zien ontstaan door de absorptie van licht door pigmenten’, legt Freyer uit. ‘Deze vind je als microscopische deeltjes terug in allerlei dierlijke weefsels.’
De glans van veren werkt een beetje zoals in een zeepbel
Als wit licht, dat alle verschillende kleuren bevat, op een stukje pigment valt, kan dat bijvoorbeeld het blauwe licht absorberen en weghalen uit het spectrum. ‘Dan zie je vaak rood’, zegt Freyer.
Bij mensen is het pigment melanine een bekend voorbeeld, verpakt in kleine pakketjes die veel blauw en UV-licht absorberen. De melanosomen beschermen daarmee je huid, maar worden ook zichtbaar als moedervlekken.
Macro-opnamen van een pauwenveer
Dunne laagjes
Vogels hebben ook wel dit soort pigmenten, maar voor die glanzende, heldere kleuren gebruiken ze een ander trucje. ‘Het verschil is de manier waarop ze de pigmenten rangschikken’, zegt Freyer. ‘Pauwen, bijvoorbeeld, hebben bepaalde structuren in hun veren die heel precies, heel dicht bij elkaar groeien, tussen de honderd en tweehonderd nanometer van elkaar’, legt hij uit. Oftewel: verdeel een menselijke haar in zo’n tweeduizend stukjes en dan ben je er ongeveer.
‘Die structuren zijn opgebouwd uit dezelfde bruine pigmenten als onze moedervlekken, maar het licht hotst en botst er zo in en uit, dat het er uiteindelijk niet bruin, maar blauw en glimmend uitkomt.’
Zulke heldere kleuren kun je niet maken met pigment
‘De glans van veren werkt een beetje zoals in een zeepbel: de dunne laag zeep en water zorgt ervoor dat het licht heel gericht wordt weerspiegeld’, zegt Freyer. Dit is hetzelfde met de vele dunne laagjes op elkaar in een pauwenveer. Het glimmende regenboogeffect dat je daardoor ziet is dus een structurele kleur – het ontstaat vanuit de structuur – want zeep en water hebben immers geen pigment. De weerkaatsing van licht in vogelveren is veel selectiever dan in een zeepbel en daarom zie je maar één bepaalde kleur in een veer. ‘Lichtgolven botsen op elkaar, en verzwakken of versterken elkaar daarmee. Dat verschijnsel – interferentie – hebben vogels gebruikt om geperfectioneerde optische signalen te maken.’
Kunst afkijken
Als we precies weten hoe de vogels dit aanpakken, kunnen mensen de kunst mogelijk afkijken en op een andere manier gebruiken. ‘Het is een nieuwe manier om kleuren te maken door de miljoenen jaren oude ‘wijsheid’ van de natuur te benutten’, legt Freyer uit. ‘Sterker nog, zulke mooie heldere kleuren kún je helemaal niet maken met pigment.’
Onderzoek zoals het zijne was tot voor kort nauwelijks mogelijk. Microscopen, camera’s, computermodellen en een hoop lichtmeetapparatuur waren nodig om de geheimen van de pure pauwenkleuren te onthullen. ‘Vroeger moesten ze versimpelingen gebruiken om berekeningen te maken aan de hand van hun metingen’, zegt Freyer. ‘Als je dat dan ook nog met de hand moest doen, was je dagen verder. Nu we computermodellen hebben, kunnen we dat in een paar seconden doen.’
Vroeger was je dagen verder als je een berekening moest maken
Hij paste de diktes en eigenschappen van al die laagjes aan in zijn wiskundige modellen en door vooral veel te spelen met de verschillende parameters, ontdekte hij uiteindelijk nieuwe patronen in de breking van het licht op vogelveren. Niet alleen de afstand tussen de veerlagen speelt namelijk een rol, maar ook bijvoorbeeld de hoeveelheid lucht die ertussen zit.
Met zijn modellen kunnen we de kleuren van vogelveren begrijpen, van eenden tot eksters. Toch bleek de pauwenveer het meest complex. ‘Biologen denken dat de heldere kleur die voor ons zo aantrekkelijk is, nog veel aantrekkelijker is voor de vrouwtjespauw voor wie het signaal immers bedoeld is’, legt Freyer uit. Net als pauwen hebben wij kegeltjes in onze ogen waarmee we kleuren waarnemen. En net als bij pauwen slaan die bij bepaalde golflengtes meer aan.
Computerchips
Mensen kunnen de techniek achter de opvallende veren echter op heel andere manieren gebruiken dan enkel als versiering. Mogelijk zijn Freyers ontdekkingen te gebruiken bij het sneller en efficiënter maken van dataoverdracht, misschien zelfs in computerchips. ‘De processoren in onze computers zijn beperkt, omdat ze elektrische signalen gebruiken. Licht is sneller en kan dus misschien een oplossing bieden’, zegt Freyer. De natuurkundige fenomenen die Freyer heeft beschreven, kunnen daarbij een rol spelen.
Een dergelijke toepassing ligt nog in de verre toekomst, maar dat kan Freyer niet veel schelen. Hij wordt immers gedreven door nieuwsgierigheid naar de wereld om zich heen. Hij wil de wereld leren begrijpen tot in de kleinste details. ‘Laatst las ik een verhaal van een aantal wetenschappers in Nature die schreven over de natuurkunde van hoe een koffievlek opdroogt’, vertelt Freyer. ‘Gewoon, als hobby, omdat ze er interesse in hadden.’
Hij grinnikt. ‘Zoals Feringa zegt: “Laat universiteiten ook eens een speeltuin zijn.” Je moet niet altijd al het onderzoek willen verantwoorden in de context van nu.’