Titlu: Culoarea structurală: păunii, romanii şi Robert Hooke Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. De mii de ani natura a produs efecte vizuale uimitoare. Care este principiul fizic din spatele acestui fapt şi cum îl putem folosi?

Nanostructurile din elitrele
gândacilor sunt responsabile
de culorile lor iridescente.

Pentru imagine îi mulţumim lui
Matthew Kirkland; sursa
imaginii: Flickr

Culoarea ne vine din modul în care vizualizăm diferitele lungimi de undă ale luminii. Culorile pe care le vedem depind de lumina reflectată sau transmisă de obiecte înspre ochii noștri. Cea mai comună sursă a culorii este pigmentarea: aproape tot ceea ce vedem, inclusiv hainele noastre și pe noi înșine, este colorat de molecule de pigment.

Însă există şi o altă modalitate de a face culoare – una pe care fructele, gândacii, fluturii și păunii, de exemplu, o utilizează de mult timp: culoarea structurală. Culorile lor se schimbă în funcție de punctul nostru de vedere, şi aceasta datorită structurilor microscopice de pe suprafaţa lor, care interfereaza cu reflexia luminii. Oamenii au folosit culori structurale cu mult înainte de a le cunoște cauza, iar astăzi oamenii de ştiinţă se inspiră din natură pentru a dezvolta mai departe culoarea structurală. „Încercăm să creăm materiale care să manipuleze lumina folosind aceleași principii fizice precum cele găsite în natură”, spune Pete Vukusic, profesor de bio-fotonică la Universitatea din Exeter, Marea Britanie. „Scopul nu este de a masca sau de a ascunde lucruri, ci de a conferi materialelor și obiectelor proprietăţi optice interesante și funcționale, precum luminozitatea, direcționalitatea sau iridescenţa.”

O scurtă istorie a interferenţei undelor

Într-o după-amiază însorită din secolul al 17-lea, Robert Hooke a descoperit ceva care avea să intre în istorie. Întrebându-se de ce culoarea din penele de păun se schimbă când o priveşte din unghiuri diferite (ceea ce se numeşte iridescenţă), el a scufundat o pană în apă și a făcut o descoperire uimitoare: culoarea a dispărut. „Fantastic”, avea să scrie. Folosind un microscop, Hooke a văzut că pana de păun este acoperită cu o puzderie de mici creste. A concluzionat că faptul dovedeşte că în spatele culorii stau reflexia și refracția luminii.

 

Natura duală a luminii

Explicația lui Hooke a fost curând respinsă de Isaac Newton, care a considerat că lumina e făcută din particule (numite de el „corpusculi”). Însă peste câteva decenii, Thomas Young a arătat că lumina se comportă ca o undă, capabilă de interferenţă – fenomenul prin care se compun două unde pentru a rezulta o undă de amplitudine mai mare sau mai mică. În celebrul experiment al lui Young, cu două fante practicate într-un ecran opac prin care trece lumina vinind de la o sursă unică și se proiectează pe un perete din spatele ecranului. Lumina care trece prin aceste două fante a arătat un model alternând zone luminoase și întunecate, ca nişte valuri propagate într-un iaz, iar în cazul suprapunerilor urmele devenind tot mai puternice pe măsură ce undele interferau. Comportamentul acesta se putea explica numai considerând că din fiecare fantă a plecat câte o undă, iar apoi acestea au interferat pentru a se amplifica şi respectiv pentru a se atenua în anumite poziții.

Însă anumite cercetări ulterioare aveau să-l contrazică pe Young. Experimentul cu foiţa de aur a arătat că electronii sunt expulzaţi de o suprafață metalică atunci cand este supusă unor radiaţii electromagnetice, dar numai dacă lumina are o frecventa destul de mare, adică o energie mare, în timp ce intensitatea sursei nu influenţează fenomenul. Experimentul a făcut dovada că razele de lumină și cele ultraviolete sunt alcătuite din unități individuale numite fotoni.

Astăzi spunem că, deopotrivă, lumina călătoreşte ca undă, dar ea constă şi din pachete de energie numite fotoni. Lumina are a natură duală.

Acum ştim: culorile multor păsări și insecte provin din culoarea structurală, creată de interacţiunea luminii cu anumite structuri regulate având o dimensiune de doar câteva sute de nanometri. Aceste structuri descompun lumina incidentă în mai multe unde de lumină reflectate, care interferează unele cu altele, anulând sau amplificând diferite lungimi de undă înspre diferite direcții, și care astfel apar ochilor noștri ca fiind viu colorate sau irizate. În sistemele pigmentare fizica este complet diferită, ceea ce explică de ce culoarea structurală poate fi mult mai luminoasă. „Pigmenții doar reflectă și absorb lumina. Procesele absorbative, care sunt intrinseci la producerea culoare prin pigmenţi, sunt chiar lucrurile ce limitează luminozitatea culorilor „, spune Vukusic.

În anumite condiții, două unde se pot compune rezultând fie o undă cu amplitudine mai mare, atunci când undele sunt în fază (stânga), fie o anulare completă, dacă undele sunt în antifază (dreapta). În cazul culorii structurale, lumina vizibilă se descompune atunci când este reflectată de nanostructuri particulare: anumite lungimi de undă sunt consolidate, iar altele distruse, conferind aspectul de viu-colorat sau de irizare.
Modificat din “Interference of two waves” (Interferenţa a două unde) de Haade (Wikimedia Commons)

Culoarea structurală – trecut, prezent şi viitor

Uimitoarele culori structurale
ale cupei Lycurgus: lumina
reflectată apare verde, în
timp ce lumina transmisă
strălucește în roșu.

Pentru imagine, mulţumim lui
Following Hadrian; sursa
imaginii: Flickr

De-alungul a mii de ani de evoluţie, organismele vii şi-au însușit modalităţi de manipulare a luminii folosind nanostructuri delicate şi aranjate periodic. Păuni, de exemplu, îşi folosesc culorile structurale ale penelor ca parte a ritualurilor de împerechere. Astăzi, aceste modele biologice îi inspiră pe inginerii care caută modalităţi de a controla lumina prin tehnologii optice. Oamenii de ştiinţă lucrează la crearea de ecrane reflectorizante, pentru cărţile electronice sau pentru hârtia electronică, care să nu mai aibă nevoie de propria sursă de lumină pentru a fi citite. Astfel de ecrane ar folosi mult mai puțină energie decât versiunile cu iluminare din spate existente în calculatoare, smartphone-uri și televizoarew1. De fapt, oamenii au folosit de mult culoarea structurală, fără ca măcar să fie conștienţi de principiul ei.

Cupa Lycurgus este un artefact roman aflat la Muzeul Britanic din Londra, Marea Britanie. Confecţionată din sticlă, ea îşi schimbă culoarea de la verde la roșu în funcție de faptul că lumina incidentă este reflectată de sticlă sau trece prin aceasta (Freestone, 2007). Ca și penele de păun, culoarea uimitoare a paharului Lycurgus se datorează culorii structurale, fiind cauzată de structuri mici de doar câţiva nanometri – nanoparticule de aur dispersate în interiorul sticlei. Când suprafețele nanoparticulelor de metal interacționează cu lumina, ele filtrează/diminuează anumite culorile și favorizează altele. Sticlarii romani au aflat întâmplător că metalele prețioase adăugate la sticlă dau efecte de culoare impresionante, dar nu au putut reproduce efectul, astfel că astăzi avem puţine piese similare, confecţionate în jurul secolului al IV-lea î.e.n.

Astăzi, oamenii pot în sfârşit să folosească știința culorii structurale pentru a fabrica multe obiecte, printre care și rujul din geantă. Prin utilizarea particulelor realizate din mai multe straturi subțiri și prin imersarea lor înmiită în formulă obţinem un ruj irizat. „Nanostructurile regulate cuprinse în aceste particule reflectă puternic culorile, conferind aspecte dramatice și aparenţe selective în direcții diferite”, spune Vukusic, care a lucrat şi cu firma de cosmetice L’Oréal.

Cercetătorii caută să folosească fizica canalizării luminii şi a culorii structurale în industria de mase plastice. Aceasta este ideea din spatele Plast4Futurew2, un proiect de cercetare condus de Anders Kristensen de la Universitatea Tehnică din Danemarca, care este axat pe obţinerea de materiale plastice mai ecologice şi cu aspect plăcut. „Folosind culoarea structurală se pot obţine obiecte din plastic ce utilizează mai puține materiale și care facilitează reciclarea în conformitate cu filosofia de producție ‘din-leagăn-în-leagăn'”, spune Kristensen, referindu-se la acea abordare ce modelează industria bazată pe procese naturale şi care asigură că resursele energetice și materiale trec de la un compartiment la altul fără pierderi şi fără acumularea de deșeuri.

Interferența undelor în
piscină. Loviţi apa pentru a
crea două valuri și așteptați
până se întâlnesc. În unele
zone valurile dispar (apa
devine plată), iar în altele
valurile devin mai mari.

Pentru imagine, mulţumim ESO
/ M. Alexander; Sursa imaginii:
Wikipedia

Aceleași proprietăți fizice care colorează sticla Lycurgus vor colora într-o zi şi materiale plastice disponibile comercial. Anul trecut profesorul Kristensen a dezvoltat o modalitate de a face acest lucru. Echipa sa a început confecţionând o matriță de siliciu cu o reţea de mii de nano-orificii. Apoi au turnat în aceasta un matrial plastic şi au depus deasupra un film subțire din aluminiu. Rezultatul a fost o masă de plastic colorată fără pigmenți, a cărei culoare poate fi reglată prin stabilirea diametrului acelor nano-orificii (Clausen, 2014). „Pentru reciclare, aluminiul poate fi scos din masa de plastic, aceasta putând fi apoi topită și remodelată, generând un plastic cu aceeași sau cu altă culoare,” explică Kristensen. „În abordarea tradițională pigmenții nu pot fi eliminaţi din material, astfel că plasticul reciclat va avea aceeași culoare,” ceea ce înseamnă că reciclarea actuală a plasticului este mai ineficientă și mai complexă.

Proiectul Plast4Future explorează şi modalităţi de a conferi materialelor plastice alte caracteristici, cum ar fi anti-aburirea sau chiar hidrofobia (respingerea apei). Toate aceste inovații sunt de interes pentru companiile producătoare, de la autoturisme la jucării: Fiat și LEGO sunt parteneri activi în acest proiect.

Departe de a fi o curiozitate, culoarea structurală devine o unealtă cu care putem realiza o lume mai curată şi mai puțin poluată. Un astfel de scenariu ar fi fost cu greu imaginat de personalităţile istorice referite în această poveste, însă ele ne-au ajutat să înțelegem ceea ce știm astăzi despre această extraordinară sursă de efecte vizuale.

 

Mai multe despre proiectul XFEL

European XFEL (X-ray Free-Electron Laser) este o facilitate de cercetare aflată în construcție în zona Hamburg, Germania, şi care va ajuta la studierea proprietăților de bază ale materiei pentru diferite discipline (inclusiv pentru nanotehnologie) folosind fascicule scurte de raze X. Deoarece laserul cu raze X poate face vizibile structurile la scară atomică şi la scări temporale de o cvadralionime de secundă (10-15), el va putea studia detaliile interacțiunilor de nanoparticule cu alte materii și cu lumina. Acest lucru ne-ar putea facilita înțelegerea modului în care sunt structurate nanoparticulele, a modului cum se comportă ele în privinţa reactivităţii și a mișcării atomice, și a modului în care ele acționează în diferite medii, cum ar fi soluțiile sau aerosolii.

 

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Citiţi mai multe despre modul în care următoarea generație de e-reader-e pot folosi culoarea structurală pentru a-şi îmbunătăți afișajele de înaltă rezoluție.
  • w2 – Vizitaţi website-ul Plast4Future.

Author(s)

Jordi Gomis-Bresco este cercetător la Institutul de Ştiinţe Fotonice, în Castelldefels, Barcelona, Spania. El studiază cum să manipuleze lumina, cum să o reţină la interfața dintre materiale, și cum să o exploateze pentru a dezvolta noi concepte pentru echipamentele de telecomunicații și de detecţie. În timpul liber Jordi conduce tot felul de experimente cinematice în parcul de lângă casa lui, împreună cu cei doi copii ai săi.

Jose Viosca este un neurolog devenit comunicator de ştiinţă, fiind interesat de oameni, de educaţie, de ştiinţă, şi de orice îi atrage atenţia. Îl puteţi găsi pe Twitter: @jviosca


Review

Culoarea structurală și aplicarea acesteia sunt probabil subiecte de mare interes pentru elevi. Articolul de faţă este foarte interesant și oferă o bună imagine de ansamblu a efectelor optice și a modului în care este ‘produsă’ culoarea.

Articolul încearcă să stimuleze întrebări/teme precum:

  • Cum distinge ochiul uman culorile?
  • Ce este culoarea? Daţi o explicaţie fizică.
  • Cum putem crea culori?
  • Explicaţi natura duală a luminii.
  • Cum sunt culorile folosite în natură şi în tehnologie?
  • Ce este culoarea structurală?
  • Daţi câteva exemple de folosire a culorii structurale. Cum creează acestea culoarea?
  • Explicaţi câteva aplicaţii tehnice ale culorii structurale.

Gerdt Vogt, Şcoala superioară de mediu şi economie, Yspertal, Austria




License

CC-BY-NC-ND