Color estructural: pavos reales, romanos y Robert Hooke Understand article

José Viosca. Durante miles de años, la naturaleza ha producido brillantes efectos visuales. ¿Cuál es el principio físico que lo explica y cómo podemos usarlo?

Nanoestructuras en los
caparazones de los
escarabajos son
responsables de sus
brillantes colores
iridiscentes.

Imagen cortesía de Matthew
Kirkland; fuente: Flickr

El color es cómo visualizamos las  diferentes longitudes de onda de la luz. Los colores que vemos dependen de la luz que se refleja o transmite desde los objetos hasta nuestros ojos. La fuente de color más común es la pigmentación: casi todo lo que vemos, también nuestra ropa y nosotros mismos, está coloreado por moléculas de pigmento.

Pero hay otra forma de conseguir color – presente en frutas, escarabajos, mariposas y pavos reales: el color estructural. En todos ellos, el color cambia según el ángulo con el que los miremos debido a estructuras microscópicas en su superficie que interfieren con el reflejo de la luz. Incluso los humanos han usado el color estructural mucho antes de conocer su causa, y hoy en día los investigadores buscan inspiración en la naturaleza para desarrollar aún más el color estructural. “Intentamos crear materiales que manipulan la luz usando los mismos principios físicos que se dan en la naturaleza”, dice Pete Vukusic, profesor de biofotónica en la Universidad de Exeter, Reino Unido. “El objetivo no es enmascarar o esconder cosas, sino dar a los materiales propiedades interesantes como brillo, direccionalidad o iridiscencia.”

Una breve historia de la interferencia de onda

Una soleada tarde en el siglo XVII, Robert Hooke descubrió algo que pasó a la historia. Preguntándose porqué el color de las plumas de los pavos reales cambiaba si se miraban desde distintos ángulos (esto es la iridiscencia), sumergió una pluma bajo agua y descubrió algo fascinante: el color desaparecía. “Fantástico”, anotó. Con un microscopio, Hooke observó las diminutas crestas que había en la superficie de la pluma. Y concluyó que el reflejo y la refracción de la luz eran las causas del color.

 

La doble naturaleza de la luz

La explicación de la luz de Hooke fue pronto rechazada por Isaac Newton, quien consideraba que la luz estaba formada por partículas (a las que llamó corpúsculos). Décadas después, Thomas Young demostró que la luz se comportaba como una onda capaz de exhibir interferencia – el fenómeno por el que dos ondas se superponen para resultar en otra onda de mayor o menor amplitud. En el famoso experimento de la doble rendija de Young, la luz procedente de una única fuente pasaba a través de una pantalla con dos ranuras y se observaba en una pared detrás. Allí, el resultado era un patrón de franjas con luces y sombras, como ondas que se propagan en un estanque. Este comportamiento solo podía explicarse si dos ondas emergían, una por cada ranura, y luego interferían entre sí combinándose o cancelándose en las distintas franjas de la pared.

Estudios posteriores, sin embargo, parecieron contradecir a Young. El experimento de la lámina de oro mostró que los electrones eran eyectados de una superficie metálica al ser expuesta a radiación electromagnética solo cuando la luz tenía suficiente frecuencia, y por tanto energía, siendo así la intensidad de la fuente irrelevante. Esto puso de manifiesto que los haces de luz ultravioleta estaban hechos de unidades individuales llamadas fotones.

Hoy, sabemos tanto que la luz viaja como una onda, como que consiste en paquetes de energía llamados fotones. La luz tiene una naturaleza dual.

Hoy sabemos que los colores de muchas aves e insectos surgen del color estructural al interactuar la luz con estructuras regulares de pocos cientos de nanómetros de tamaño. Estas estructuras rompen la luz incidente en varias ondas reflejadas que luego interfieren, destruyendo o reforzando distintas longitudes de onda en distintas direcciones y apareciendo ante nuestros ojos como refulgentes o iridiscentes. En sistemas pigmentarios, la física es completamente diferente y eso explica porqué el color estructural es mucho más brillante. “Los pigmentos reflejan y absorben luz. Los mismos procesos de absorción  intrínsecos al color pigmentario limitan el brillo del color”, dice Vukusic.

En algunas circunstancias, dos ondas pueden superponerse y resultar en una onda con una amplitud mayor cuando se alinean en fase (izquierda), pero también pueden destruirse si no están en fase (derecha). En el color estructural, la luz visible se descompone cuando es reflejada por ciertas nanoestructuras: algunas longitudes de onda son reforzadas y otras destruidas, dando colores brillantes e iridiscentes.
Modificado de “Interference of two waves”, por Haade (Wikimedia Commons)

Color estructural – pasado, presente y futuro

Los sorprendentes colores de
la copa de Lycurgus: la luz
reflejada aparece en verde
mientras que la luz
transmitida se ve roja.

Imagen cortesía de Following
Hadrian; fuente: Flickr

Miles de años de evolución han dotado a los organismos vivos con la capacidad de manipular la luz mediante delicadas nanoestructuras organizadas periódicamente. Los pavos reales, por ejemplo, emplean en sus cortejos los brillantes colores estructurales de sus plumas. Hoy, estas estructuras biológicas inspiran a ingenieros que intentan dominar la luz en tecnologías ópticas. Los científicos trabajan para producir cosas como pantallas que reflejan color, para que libros o papeles electrónicos puedan leerse sin luz propia.

En el museo británico en Londres se encuentra almacenada la copa de Lycurgus. Este objeto Romano está hecho de un cristal que cambia de color, del verde al rojo, según la luz sea  reflejada o lo atraviese (Freestone, 2007). Igual que en las plumas de los pavos, los sorprendentes colores de la copa de Lycurgus se deben al color estructural, pero esta vez son causados por estructuras aún más pequeñas, de solo varios nanómetros: son  nanopartículas de oro dispersas dentro del cristal. Estas nanopartículas metálicas retienen y dirigen colores específicos cuando interactúan con la luz. Por puro azar, los Romanos descubrieron  que añadir metales preciosos al cristal daba colores impresionantes, pero no fueron capaces de reproducirlo; las pocas piezas similares que aún se conservan fueron todas construidas alrededor del siglo cuarto antes de cristo.

Hoy, por fin, los humanos utilizamos voluntariamente la ciencia del color estructural para hacer objetos como el lápiz de labios de tu bolso. Sumergiendo en la formulación muchas  partículas que a su vez contienen muchas finas láminas, obtenemos un lápiz de labios iridiscente. “Las nanoestructuras regulares que estas partículas contienen reflejan intensamente los colores y además dan  una apariencia dramáticamente diferente en distintas direcciones”, dice Vukusic, quien también ha trabajado para la firma de cosméticos L’Oréal.

También en la industria del plástico intentan los investigadores utilizar la física para canalizar la luz y obtener  color estructural. Esta es la idea en la que se basa Plast4Futurew2, un proyecto de investigación dirigido por  Anders Kristensen, de la Universidad Técnica de Dinamarca. El objetivo es  fabricar plásticos coloreados de una forma amigable para el medioambiente. “El color estructural permite  fabricar plásticos usando pocos materiales y también facilita el reciclaje siguiendo una filosofía de producción más natural” [en inglés: cradle-to-cradle], dice Kristensen refiriéndose al modelo de producción industrial en el que la energía y los materiales fluyen entre compartimentos sin agotarse ni  acumular residuos.

Interferencia de onda en una
piscina. Golpea el agua para
crear dos ondas y espera a
que se encuentren. En
algunos lugares, las ondas
desaparecen (la superficie se
aplana), en otros lugares las
ondas se hacen más grandes.

Imagen cortesía de ESO/M.
Alexander; fuente: Wikipedia

Así, las mismas propiedades físicas que dan color a la copa de Lycurgus podrán algún día ser empleadas en plásticos comerciales. Una forma de conseguirlo fue desarrollada por el profesor Kristensen el año pasado. Primero, su equipo fabricó un molde de silicona con miles de nanoagujeros; allí fundieron el plástico y luego aplicaron una fina capa de aluminio. El resultado fue un plástico coloreado sin pigmentos y en el que el color podía cambiarse modificando el diámetro de los nanoagujeros (Clausen, 2014). “A la hora de reciclar, el aluminio puede separarse del plástico y este puede entonces fundirse de nuevo para fabricar un plástico con el mismo color u otro”, explica Kristensen. “Con el sistema tradicional, sin embargo, los pigmentos no pueden eliminarse y el plástico reciclado acaba teniendo el mismo color”, lo que significa que el reciclaje de plástico es por el momento más complicado y genera más  despilfarro.

Plásticos con superficie antiniebla o hidrofóbica (que repelen agua) están también en el horizonte del proyecto Plast4Future. Y estas innovaciones han atraído a compañías que fabrican diferentes objetos, desde coches a juguetes: Fiat y LEGO son colaboradores activos del proyecto.

Más que una mera curiosidad, el color estructural es una herramienta hacia un mundo más limpio y con menos contaminación. Difícilmente pudieron imaginar ese escenario los protagonistas de esta historia; pero todos contribuyeron a nuestro conocimiento actual sobre esta fuente de extraordinarios efectos visuales.

 

Más sobre el European XFEL

European XFEL es una instalación en construcción en la región de Hamburgo, Alemania. Utilizando haces ultrarrápidos de láser de rayos X, permitirá estudiar las propiedades fundamentales de la materia en  disciplinas como la nanotecnología y otras. El láser de rayos X permite visualizar estructuras con un nivel de detalle atómico y con una escala de tiempo cercana al cuadrillón de segundo, por lo que permitirá estudiar los detalles de las interacciones entre nanopartículas y luz y con otras estructuras. Esto podría abrir la puerta a una mejor comprensión de cómo las nanopartículas se estructuran y cómo se comportan en términos de reactividad y movimiento atómico, y porqué funcionan como lo hacen en distintos entornos como soluciones o aerosoles.

 

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References

Web References

  • w1 – Lee más sobre la nueva generación de libros electrónicos y cómo pueden emplear el color estructural para mejorar su resolución en pantallas en color.
  • w2 – Visita la web del proyecto  Plast4Future.

Author(s)

Jordi Gomis-Bresco es investigador en el Instituto de Ciencias Fotónicas en Castelldefels, Barcelona. Investiga cómo manipular la luz, confinarla a la superficie de materiales y explotarla para desarrollar nuevos conceptos en telecomunicación y sensores. En su tiempo libre, lleva a cabo todo tipo de experimentos cinemáticos con sus dos hijos en el parque cercano a su casa.

José Viosca fue neurocientífico y ahora es comunicador de ciencia. Le interesan la gente, la enseñanza de la ciencia, y todo lo que captura su atención. Encuéntralo en Twitter: @jviosca


Review

Es probable que el color estructural y sus aplicaciones resulten de interés para los alumnos. Este interesante artículo da una buena introducción a los efectos ópticos y a cómo se produce el color.

Este artículo intenta estimular preguntas como:

  • ¿Cómo pueden nuestros ojos ver color físicamente?
  • ¿Qué es el color? Dar una explicación física.
  • ¿Cómo podemos crear colores?
  • Explicar la naturaleza dual de la luz.
  • ¿Cómo se usan los colores en la naturaleza y en la tecnología?
  • ¿Qué es el color estructural?
  • Dar algunos ejemplos del uso del color estructural. ¿Cómo crean color estos objetos?
  • Explicar algunas aplicaciones técnicas del color estructural.

Gerdt Vogt, Escuela de educación superior para el entorno y la economía, Yspertal, Austria




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