Título: cor estrutural: pavões, Romanos e Robert Hooke Understand article

Traduzido por Bruno M. Fontinha. Desde há milhares de anos, a Natureza tem produzid efeitos visuais brilhantes. Qual é o princípio físico por detrás deles e como poderemos usá-lo?

Nanoestruturas presentes
nas asas dos besouros são as
responsáveis pelas suas
cores brilhantes iridescentes.

Imagem cortesia de Matthew
Krikland; fonte da imagem:
Flickr

A cor é o modo como visualizamos os diferentes comprimentos de onda da luz. As cores que nós vemos dependem do modo como a luz, que é reflectida ou transmitida desde os objectos, chega aos nossos olhos. A origem mais comun da cor é a pigmentação: praticamente tudo o que nós vemos, incluíndo as nossas roupas e nós próprios, é colorida por moléculas de pigmento.

Mas existe um outro modo de se obter cor – uma maneira pela qual os frutos, as abelhas, as borboletas e os pavões, por exemplo, todos usam: a cor estrutural. As suas cores mudam dependendo do nosso ponto de vista, devido à existência de estruturas microscópicas nas suas superfícies que interferem com a reflexão da luz. Os humanos têm usado a cor estrutural muito antes de se conhecer a sua causa, e hoje em dia os cientistas estão a sentir-se inspirados pela Natureza para desenvolver ainda mais a cor estrutural. “Nós tentamos criar materiais que manipulem a luz usando os mesmo princípios daqueles que se encontram na Natureza”, relata Pete Vukusic, um professor de biofotónica na Universidade de Exeter, Reino Unido. “O objectivo principal não é o de mascarar ou esconder as coisas, mas sim o de dar aos materiais e objectos propriedades ópticas interessantes e funcionais, como sejam o brilho, a direcionalidade e a iridescência.”

Uma curta história sobre interferência de ondas

Numa tarde solarenga do século XVII, Robert Hooke descobriu algo que ficou para a História. Interrogando-se sobre o porquê da mudança das cores das penas dos pavões, se vistas de differentes ângulos (denominado de iridescência), ele colocou uma pena dentro de água e descobriu algo maravilhoso: a cor tinha desaparecido. “Fantástico”, escreveu ele. Usando um microscópio, Hooke, viu que a pena do pavão estava coberta de pequenas saliências. Ele concluiu que isto era aprova de a reflexão e a refracção da luz estavam por detrás da cor.

 

A natureza dual da luz

A explicação de Hooke para a luz foi rejeitada por Isaac Newton, que por sua vez pensava que a luz era feita de partículas (ele chamou-as de “corpúsculos”). Passado algumas décadas, Thomas Young demonstrou que a luz se comporta como uma onda, através do uso de interferência, o fenómeno através do qual duas ondas se podem sobrepor resultando numa onda de maior ou de menor amplitude. Na famosa experiência da dupla fenda de Young, a luz proveniente de uma única origem passou através de duas fendas localizadas num ecrã sólido, sendo posteriormente observada numa parede por detrás do ecrã. A luz que saiu destas duas fendas começou a demonstrar um padrão com áreas de luz e de sombras, do mesmo modo como as ondulações se propagam num charco, e se estes padrões se sobrepunham uns aos outros então as manchas tornavam-se mais fortes com o avançar da interferência das ondas.

No entanto, experiências realizadas mais tarde pareceram controdizer Young. A expriência da pétala dourada demonstrou que os electrões são ejectados de uma superfície metálica quando expostos a radiação electromagnética, mas somente quando a luz possui frequência suficiente, e, portanto, energia suficiente, enquanto a intensidade da fonte não determina se a placa descarga ou não. Esta foi a evidência de que os feixes de luz e ultravioleta são formados por unidades individuais denominadas de fotões.

Hoje em dia diz-se que a luz viaja como se fosse uma onda, mas consistindo-se também como pacotes de energia denominados de fotões. A luz possui uma natureza dual.

Hoje sabemos que a as cores de diversos pássaros e insectos advêm da cor estrutural, sendo produzida aquando da interacção da luz com superfícies regulares que possuem um tamanho de apenas alguns nanómetros. Estas estruturas conseguem quebrar a luz incidente em diversas ondas reflectidas, que por sua vez interferem umas com as outras, destruindo ou reinforçando diferentes comprimentos de onda em diferentes direcções, aparecendo aos nossos olhos como brilhantememente coloridas ou iridescentes. Em sistemas pigmentados, a física que lhe está subjacente é completamente diferente, o que explica o porquê da cor estrutural ser bastante mais brilhante. “Os pigmentos reflectem, mas também absorvem, a luz. Estes processos absortivos, que são inerentes ao processo de produção de cor pigmentar, são as mesmas coisas que podem limitar o brilho da cor,” relata Vukusic.

Em algumas condições, duas ondas podem sopreporem-se, resultando numa onda de maior amplitude se estas estiverem em alinhamento de fase (esquerda), ou podem destruir-se uma à outra se estas tiverem fora de fase (direita). Na cor estrutural, a luz visível é decomposta quando reflectida por nanoestruturas em particular: certos comprimentos de onda são reinforçados e outros destruídos, dando origem a cores brilhantes ou materiais iridescentes.
Modificado de “Interference of two waves” de Haade (Wikimedia Commons)

Cor estrutural – passado, presente e futuro

As maravilhosas cores
estruturais da taça de
Lycurgus: a luz reflectida
aparece a verde, enquanto
que a luz transmitida brilha a
vermelho.

Imagem cortesia de Following
Hadrian; fonte da imagem:
Flickr

Ao longo de milhares de anos de evolução, os seres vivos têm dominado o modo como manipular e direccionar a luz utilizando nanoestructuras delicadas, dispostas periodicamente. Os pavões, por exemplo, usam as cores brilhantes estruturais das suas penas como parte integrante do seu ritual de acasalamento. Actualmente, estes designs biológicos inspiram engenheiros na procura do controlo da luz em tecnologias ópticas. Os cientistas estão neste momento a trabalhar na produção de ecrãs que sejam reflectivos à luz, para e-books ou papel electrónico, que não precisem de luz própria para serem lidos. Estes dispositivos usariam uma menor quantidade de energia quando comparado com as versões em contraluz em computadores, smartphones e televisoresw1. Os humanos têm usado a cor estrutural sem que se terem apercebido disso.

A taça de Lycurgus é um artefacto Romano, guardado no Museu Britânico em Londres, Reino Unido. Feito de vidro, possui a particularidade de mudar de cor desde verde até vermelho se a luz incidente for reflectida pelo vidro ou se passar através dele vinda de trás (Freestone, 2007). Tal como as penas dos pavões, as cores marcantes da taça de Lycurgus devem-se à cor estrutural, mas causada por estruturas nanométricas bastante mais pequenas – nanopartículas de ouro dispersas pelo interior do vidro. Quando as superfícies das nanopartículas de metal interagem com a luz, estas retêm e posteriormente emitem cores específicas de luz. Os fabricantes de vidro romanos verificaram por mero acaso que a adição de metais preciosos ao vidro produzia efeitos de cor impressionantes, não conseguindo, no entanto, reproduzir tal fenómeno, e as poucas peças semelhantes que chegaram aos nossos dias foram todas feitas em torno do século IV ac.

Hoje em dia, os humanos podem, finalmente, usar a ciência da cor estrutural para fazer diversos objectos, até mesmo o bâton que se leva na mala. Ao utilizar partículas feitas de diversas camadas finas e imergindo milhares delas na formulação, temos um bâton iridescente. “As nanoestruturas regulares contidas nestas particulas faz com que as cores sejam reflectidas fortemente, resultando em diferentes aparências dramáticas e selectivas em diferentes direcções,” diz-nos Vukusic, que já trabalhou com a L´Oréal, uma empresa de cosméticos.

Os cientistas estão também a tentar usar a física de canalização de luz e cor estrutural na indústria de plásticos. Esta é a ideia por detrás de Plast4Futurew2, um projecto científico dirigido por Anders Kristensen da Universidade Técnica da Dinamarca, que está focado no desenvolvimento de plásticos coloridos mais amigos do ambiente. “Com a cor estrutural, tu podes fazer plásticos usando uma menor quntidade de materiais, o que facilita a reciclagem destes de acordo com uma filosofia de produção Cradle to Cradle,” relata kristensen, referindo-se à abordagem que modela a industria humana nos processos da Natureza, assegurando que a energia e os recursos materiais fluam entre compatimentos sem que a sua exaustão ou a acumulação de lixo aconteçam.

A interferência de onda numa
piscina. Bate na água para
criar duas ondas e espera até
que estas se encontrem. Em
algumas áreas, as ondas
desaparecem (a água fica
plana), enquanto que em
outras as ondas ficarão
maiores.

Imagem cortesia de ESO/M;
fonte da imagem: Wikipedia

O mesmo princípio físico que coloriu o vidro da taça de Lycurgus poderá um dia colorir plásticos que estejam comercialmente disponíveis. O professor Kristensen desenvolveu, no ano passado, uma maneira de realizar isto. Primeiro, a sua equipa fez um molde em silicone contendo uma fileira de milhares de nanocavidades. Seguidamente, eles derreteram o plástico e depositaram uma camada finíssima de aluminio no topo. O resultado foi um plástico colorido sem pigmentos, sendo que a cor podia ser ajustada mudando o diâmetro das nanocavidades (Clausen, 2014). “Para se reciclar, o aluminio pode ser removido do plástico, podendo posteriormente ser derretido e remoldado, criando-se um plástico com a mesma ou outra cor,” explica-nos Kristensen. “Com o sistema tradicional, no entanto, os pigmentos não podem ser removidos e o o plástico reciclado terá a mesma cor,” o que significa que o plástico que é reciclado actualmente é mais dispendioso e complexo.

O projecto Plast4Future explora também o modo como dotar os plásticos de outras caracteristicas como sejam anti-embaciamento ou mesmo hidrofobia (repelindo a água). Todas estas inovações são do interesse de companhias que fabricam artefactos, desde carros até brinquedos: a Fiat e a LEGO são dois parceiros bastante activos neste projecto.

Longe de ser só uma curiosidade, a cor estrutural é uma ferramento para se atingir um mundo mais limpo e menos poluído. Tal cenário muito dificilmente poderia ter sido imaginado pelas figuras histórias presentes neste artigo, no entanto, elas ajudaram-nos a compreender o que hoje sabemos sobre esta fonte extraordinária de efeitos visuais.

 

Mais sobre o European XFEL

European XFEL é um centro que está a ser construído na área de Hamburgo, Alemanha, que irá permitir o estudo das propriedades básicas da matéria em diversas disciplinas, incluíndo a nanotecnologia, fazendo uso de feixes ultra-brilhantes de raios-X de luz laser. Na medida em que o laser de raios-X pode fazer com que as estruturas sejam visíveis numa escala atómica e em escalas de tempo próximas do quadrilionésimo de segundo, isto permitirá o estudo ao pormenor sobre as interacções das nanopartículas com outras matérias e com a luz. Uma porta ficará, pois, aberta para uma melhor compreensão do modo como as nanopartículas são estruturadas, o modo como elas se comportam em termos de reactividade e de movimento atómico, e o porquê de funcionarem como soluções ou como aerosóis em diferentes ambientes.

 

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References

Web References

  • w1 – Ler mais sobre como a próxima geração de e-readers poderá usar a cor estrutural no melhoramento da cor de monitores de alta-definição.
  • w2 – Visit o website Plast4Future.

Author(s)

Jordi Gomis-Bresco é Bolseiro de Investigação no Institute od Photonic Science, em Castelldefels, Barcelona, Espanha. Ele investiga o modo de manipular a luz, confiná-la à interface de materiais, e explorá-lo de modo a desenvolver novos conceitos para dispositivos de telecomunicações e de sensoriamento. No seu tempo livre, ele pratica todo o tipo de experiências cinemáticas no parque próximo da sua casa, juntamento com as suas duas crianças.

Jose Viosca é um neurocientista que se tornou comunicador de ciência, é interessado em pessoas, em educação na ciência e tudo o que consiga agarrar-lhe a atenção. Segue-o no Twitter: @jviosca


Review

A cor estrutural e as suas aplicações científicas são provavelmente de grande interesse para os púpilos. Este artigo é extremamente interessante e dá uma boa visão sobre os efeitos ópticos e o modo como a cor é ´produzida´.

Este artigo procura estimular questões como:

  • Como é que os nossos olhos conseguem ver fisicamente a cor?
  • O que é a cor? Dá uma explicação física.
  • Como é que conseguimos criar cor?
  • Explica a natureza dual da cor.
  • Como é que as cores são usadas na natureza e na tecnologia?
  • O que é a cor estrutural?
  • Dá alguns exemplos do uso da cor estrutural. Como é que estes itens conseguem criar cor?
  • Explica algumas aplicações técnicas da cor estrutural.

Gerdt Vogt, Escola Secundária Superior para o Ambiente e Economia, Yspertal, Áustria




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