Colore strutturale: pavoni, Romani e Robert Hooke Understand article

Tradotto da: Claudia Savini. Per migliaia di anni, la natura ha prodotto brillanti effetti visivi. Qual è il principio fisico dietro a ciò e come possiamo usarlo?

Le nanostrutture delle ali dei
coleotteri sono responsabili
dei loro brillanti colori
cangianti

Immagine gentilmente
concessa da Matthew Kirkland;
fonte dell’immagine: Flickr

Il colore é il modo in cui visualizziamo diverse lunghezze d’onda. I colori che vediamo dipendono dalla luce che è riflessa o trasmessa dagli oggetti ai nostri occhi. La fonte più comune di colore è la pigmentazione: quasi tutto quello che vediamo, inclusi i nostri vestiti e noi stessi, è colorato da molecole di pigmenti.

Ma c’é un altro modo per creare colore – quello che la frutta, le farfalle e i pavoni, per esempio, usano: il colore strutturale. I loro colori cambiano in base al punto di vista, grazie alle strutture microscopiche sulle loro superfici che interferiscono con il riflesso della luce. Gli uomini hanno usato colori strutturali molto prima di conoscerne le cause, e oggi gli scienziati prendono ispirazione dalla natura per sviluppare ulteriormente colori strutturali. “Cerchiamo di creare materiali che manipulano la luce usando gli stessi principi fisici che si trovano in natura, ” dice Pete Vukusic, un professore di biofotonica all’Università di Exeter, Gran Bretagna (UK). “L’obiettivo non è quello di mascherare o nascondere le cose, ma di dare ai materiali e agli oggetti proprietà ottiche interessanti e funzionali come luminosità, direzionalità o irridescenza.”

Una breve storia di interferenza di onde

Un pomeriggio di sole del 17essimo secolo, Robert Hook scoprí qualcosa che è passato alla storia. Chiedendosi perché il colore delle piume di pavone cambiasse se visto da diverse angolazioni (chiamate irridescenze), immerse una piuma nell’acqua e fece una scoperta sorprendente : il colore scompariva. “Fantastico”, scrisse. Usando un microscopio, Hooke vide che la piuma del pavone era coperta di piccole creste. Concluse che questa era la prova che la riflessione e la rifrazione della luce fossero alla base del colore.
 

La doppia natura della luce

La spiegazione della luce di Hook è stata ben presto rifiutata da Isaac Newton, che pensava che la luce fosse fatta di particelle (chiamate da lui “corpuscoli”). Alcune decadi più tardi Thomas Young ha dimostrato che la luce si comporta come un’onda usando l’interferenza, il fenomeno per cui due onde si sovrappongono per formare un’onda di ampiezza più grande o più piccola. Nel famoso esperimento della doppia fenditura di Young, la luce proveniente da una singola fonte passava attraverso due fenditure in uno schermo solido ed era osservata su una parete dietro lo schermo. La luce veniva fuori da queste due fessure cominciava a mostrare un modello di aree chiare e scure, proprio come delle increspature si propagano in uno stagno, e se queste aree si sovrapponevano, queste diventavano più forti come le onde che interferiscono. Questo è un comportamento che poteva essere spiegato solo se fossero emerse due onde, una per fessura e poi ognuna interferisse con l’altra per combinarsi o annullarsi in determinate posizioni.

Successive ricerche, però, sembravano contraddire Young. L’esperimento della lamina d’oro ha mostrato che gli elettroni vengono espulsi da una superficie metallica se esposta a radiazioni elettromagnetiche, ma solo se la luce ha una frequenza sufficientemente elevata, e quindi energia, mentre l’intensità della sorgente non determina se la lamina si scarichi o meno. Questa è stata l’evidenza che i fasci di luce e ultravioletti sono costituiti da singole unità chiamate fotoni.

Oggi diciamo sia che la luce viaggia come un’onda, sia che è fatta anche di pacchetti di energia chiamati fotoni. La luce ha una duplice natura.

Sappiamo ora che i colori di molti uccelli e insetti derivano dal colore strutturale, prodotto dall’interazione della luce con strutture regolari di poche centinaia di nanometri. Queste strutture scompongono la luce incidente in diverse onde riflesse che interferiscono tra loro, distruggendo o rafforzando diverse lunghezze d’onda in diverse direzioni e che appaiono ai nostri occhi come colori vivaci o iridescenti. Nei sistemi di pigmentazione la fisica è completamente diversa, il che spiega il motivo per cui il colore strutturale può essere molto più luminoso. “I pigmenti riflettono e assorbono la luce. Questi processi di assorbimento, che sono intrinseci alla produzione di colore pigmentario, sono proprio le cose che possono limitare la luminosità del colore “, spiega Vukusic.

In alcune condizioni, due onde possono sovrapporsi e determinare un’ onda con un’ampiezza più grande quando si allineano in fase (a sinistra), ma possono anche distruggersi l’un l’altra se fuori fase (a destra). Nel colore strutturale, la luce visibile è scomposta quando riflessa da particolari nanostrutture: alcune lunghezze d’onda sono rinforzate e altre distrutte, dando materiali dai colori vivaci o iridescenti
Modificata da “Interference of two waves” da Haade (Wikimedia Commons)

Colore strutturale – passato, presente e futuro

I colori strutturali suggestivi
della coppa di Licurgo: la luce
riflessa appare verde mentre
la luce trasmessa appare
rossa

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concessa da Following Hadrian;
fonte dell’immagine: Flickr

Nel corso di migliaia di anni di evoluzione, gli organismi viventi hanno imparato come manipolare e canalizzare la luce utilizzando fini nanostrutture organizzate periodicamente. I pavoni, per esempio, usano i colori strutturali brillanti delle loro piume come parte dei loro corteggiamenti. Oggi questi disegni biologici ispirano ingegneri che cercano di controllare la luce in tecnologie ottiche. Gli scienziati stanno lavorando per produrre schermi a colori riflettenti, per e-book o carta elettronica, che non necessitano di luce propria per essere leggibili. Questi display utilizzerebbero molta meno potenza rispetto alle versioni retroilluminati di computer, smartphone e TVw1. Gli esseri umani hanno anche utilizzato il colore strutturale senza nemmeno rendersene conto.

La coppa di Licurgo è un manufatto romano conservato al British Museum di Londra, Regno Unito. Fatta di vetro, cambia il suo colore da verde a rosso a seconda che la luce incidente venga riflessa dal vetro o passi attraverso da dietro (Freestone, 2007). Come le piume di pavone, il colore sorprendente della coppa di Licurgo è dovuto al colore strutturale, ma causato da strutture molto più piccole solo alcuni nanometri attraverso nanoparticelle d’oro disperse all’interno del vetro. Quando le superfici delle nanoparticelle metalliche interagiscono con la luce, trattengono e rilasciano colori specifici di luce. I vetrai romani trovarono per caso che i metalli preziosi aggiunti al vetro davano effetti di colore impressionanti, ma non riuscirono a riprodurli, e i pochi pezzi simili che rimangono oggi sono stati tutti realizzati intorno al IV secolo avanti Cristo.

Oggi, finalmente, gli uomini possono utilizzare la scienza del colore strutturale per realizzare molti oggetti, anche il rossetto da borsetta. Utilizzando le particelle che sono fatte di molti strati sottili e immergendo migliaia di queste nella formulazione otteniamo un rossetto iridescente.” Le nanostrutture periodiche contenute in queste particelle riflettono fortemente i colori, dando diversi aspetti drammatici e selettivi in direzioni diverse “, dice Vukusic, che ha lavorato anche sui cosmetici del marchio L’Oreal.

I ricercatori stanno anche cercando di utilizzare la fisica della canalizzazione della uce e del colore strutturale nell’industria delle materie plastiche . Questa è l’ idea alla base di Plast4Futurew2, un progetto di ricerca guidato da Anders Kristensen dell’Università Tecnica della Danimarca, che è impegnata a rendere più ecologiche le plastiche colorate.” Con il colore strutturale, è possibile realizzare la plastica utilizzando meno materiali e questo facilita anche il riciclaggio secondo una filosofia di produzione dalla culla alla culla “, dice Kristensen, riferendosi al metodo che modella l’industria umana sui processi della natura, assicurando che le risorse energetiche e le materie prime scorrano tra i compartimenti senza esaurirsi o accumularsi in rifiuti.

Interferenza delle onde in
piscina. Battere l’acqua per
creare due onde e attendere
fino a quando si incontrano.
In alcune zone, le onde
scompaiono (l’acqua diventa
piatta), in altre le onde
diventano più grandi

Immagine gentilmente
concessa da ESO/M. Alexander;
fonte dell’immagine: Wikipedia

Le stesse proprietà fisiche che colorano il vetro di Licurgo potrebbero un giorno colorare plastiche disponibili in commercio. Il Professor Kristensen ha sviluppato un modo per fare ciò proprio l’anno scorso. In primo luogo, la sua squadra ha fatto uno stampo in silicone con una serie di migliaia di nanopori. Poi ha modellato la plastica e depositato un film sottile di alluminio sulla parte superiore. Il risultato è stato una plastica colorata senza pigmenti, e il colore poteva essere modulato cambiando il diametro dei nanopori (Clausen, 2014). “Per il riciclaggio, l’alluminio può essere rimosso dalla plastica, che può poi essere fusa e rimodellata, generando una plastica con lo stesso o con un altro colore,” spiega Kristensen. “Con il sistema tradizionale, invece, pigmenti non possono essere rimossi, quindi la plastica riciclata avrà lo stesso colore”, ciò significa che il riciclaggio della plastica al momento è più dispendioso e complesso.

Il progetto Plast4Future esplora anche come dare alle plastiche altre caratteristiche come antiappannante o anche idrofobia (idrorepellente). Tutte queste innovazioni sono di interesse per le aziende che fanno cose dalle auto ai giocattoli: Fiat e LEGO sono entrambi partner attivi in questo progetto.

Lungi dall’essere una curiosità, il colore strutturale è uno strumento per avere un mondo più pulito e meno inquinato. Tale scenario non poteva essere immaginato dalle principali figure storiche di questa storia, ma tutti ci hanno aiutato a capire quello che sappiamo oggi su questa straordinaria fonte di effetti visivi.
 

Maggiori informazioni su European XFEL

European XFEL è una struttura in costruzione nella zona di Amburgo in Germania che sarà in grado di studiare le proprietà fondamentali della materia per varie discipline, tra cui le nanotecnologie, con raggi ultraluminosi di luce laser a raggi X. Poiché il laser a raggi X può rendere visibili le strutture su scala atomica e in tempi vicini a un quadrilione di secondo, sarà in grado di studiare i dettagli delle interazioni delle nanoparticelle con altri materiali e con la luce. Questo potrebbe aprire la strada per una migliore comprensione di come le nanoparticelle sono strutturate, come si comportano in termini di reattività e di movimento atomico, e perché funzionano in un certo modo in diversi ambienti, quali soluzioni o aerosol.

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References

Web References

  • w1 – Leggi di più per sapere come la prossima generazione di e-readers sia in grado di utilizzare il colore strutturale per migliorare i propri display a colori ad alta risoluzione.
  • w2 – Visita il sito Plast4Future.

Author(s)

Jordi Gomis-Bresco è un ricercatore presso l’Istituto di Fotonica, a Castelldefels, Barcellona, Spagna. Egli indaga come manipolare la luce, limitarla all’interfaccia di materiali, e sfruttarla per sviluppare nuovi concetti di dispositivi di telecomunicazione e di rilevamento. Nel suo tempo libero, dirige ogni sorta di esperimenti di cinematicia nel parco vicino casa con i suoi due figli.

Jose Viosca è un neuroscienziato trasformatosi in divulgatore scientifico, interessato alle persone, all’istruzione scientifica, e a tutto ciò che cattura la sua attenzione. Seguilo su Twitter: @jviosca


Review

Il colore strutturale e la sua applicazione scientifica possono essere di grande interesse per gli alunni. Questo articolo è molto interessante e offre una buona panoramica sugli effetti ottici e su come il colore sia ‘prodotto’.

L’articolo cerca di suscitare domande quali:

  • In che modo il nostro occhio è in grado di vedere i colori fisicamente?
  • Cos`è il colore? Dai una spiegazione fisica.
  • Come possiamo creare i colori?
  • Spiega la duplice natura della luce.
  • Come sono usati i colori in natura e nella tecnologia?
  • Cos` è il colore strutturale?
  • Dai alcuni esempi dell`uso di colore strutturale. In che modo questi oggetti creano colore?
  • Spiega alcune applicazioni tecniche di colore strutturale.

Gerdt Vogt, Scuola Secondaria Superiore per l’Ambiente ed Economia, Yspertal, Austria




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