Thread by @jack

Los pigmentos suelen determinan el color de la flora y la fauna; desde la melanina en nuestra piel hasta la clorofila en las hojas. Pero hay otro tipo de color del que cada vez encontramos más a nuestro alrededor. 🔬 Abro hilo sobre cristales fotónicos en la naturaleza. 🦚🧵

1⃣ Los pigmentos son compuestos que absorben ciertas energías de la luz visible. El pigmento más conocido de las hojas es la clorofila, que absorbe luz tanto en el rango azul como el rojo, dando lugar a su color verde. Pero muchas hojas no son verdes durante todo el año…

2⃣ En otoño, vemos muchas de esas hojas de colores naranjas y amarillos. El cambio de color indica que ya no están produciendo clorofila; como las hojas contienen otros pigmentos como los carotenoides, son estos los que permanecen, dando lugar a colores más anaranjados.

3⃣ Ese era un ejemplo de cambios en la química dando lugar a cambios de color. Bien, pasemos al aceite. Es amarillo, ¿no? Pero habréis visto alguna vez una sartén mal fregada o aceite derramado en el suelo húmedo, como el de esta imagen (📸: Wikipedia). ¿Qué ha cambiado ahí?

4⃣ No hay reacción química que pueda explicar esta variedad de colores. Lo que hemos visto en la imagen se debe a algo totalmente distinto; es un ejemplo del color estructural, cuyo origen está relacionado con la interferencia de la luz.

5⃣ En una lámina delgada, hay interferencia entre la luz que se refleja en la intercara de arriba y la de abajo. El color que vemos se basa en las longitudes de onda que interfieren constructivamente, lo cual depende del grosor de la lámina y del ángulo de observación.

6⃣ En la foto del tweet 3⃣, los distintos colores indican distintos grosores de la capa de aceite: esas pequeñas variaciones cambian el valor de las longitudes de onda favorecidas por la interferencia. El mismo fenómeno físico se puede ver en las pompas de jabón.

7⃣ Si, en lugar de una, tenemos varias láminas delgadas apiladas, y todas actúan para reforzar las mismas longitudes de onda, conseguimos reflejar colores todavía “más puros”. Estos reflectores tan específicos se usan en varios sistemas ópticos; por ejemplo, en algunos láseres.

8⃣ Fijaos en esta animación. Hasta ahora, el patrón periódico se repetía en una dirección. Ahora, tenemos lo que se denomina un cristal fotónico en 2D. Como antes, solo refleja algunas frecuencias de la onda, pero ahora tb funciona desde cualquier ángulo.

9⃣ Si queremos tener reflectores de ciertos colores en varias direcciones, hay que fabricar estructuras con diminutos materiales intercalados, que se repitan de forma periódica en esas direcciones. ¿Complicado? No pasa nada; la biología nos puede echar una mano.

🔟Empecemos con el famoso pavo real. De forma análoga al ejemplo del aceite o a la imagen de los reflectores de Bragg en el tweet 7⃣, los distintos colores son un marcador visual del distinto tamaño de las nanoestructuras ordenadas que se encuentran en sus plumas.

1⃣1⃣Con un microscopio se observan distintos patrones periódicos cilíndricos de melanina (ver puntos negros) en las plumas del pavo real. En la parte que vemos azul la distancia entre cilindros es de 140nm, en la verde es de 150nm, etc. (📷:S. K. Blau, Physics Today, 2014).

1⃣2⃣Así que la próxima vez que los veáis os podéis maravillar no solo de sus colores, también de las diminutas estructuras ordenadas en sus plumas que lo causa mediante interferencia de la luz. Los colores más llamativos los tienen los machos y sirven como selector sexual.

1⃣3⃣También tenemos estructuras fotónicas periódicas dando lugar a colores iridiscentes en mariposas como las morpho azules, las cuales se pueden identificar a 1km gracias al brillo azul debido a las estructuras ordenadas que veis en la imagen. Y no son los únicos dos ejemplos…

1⃣4⃣Desde las imponentes caras pintadas de los mandriles como indicador de su posición social hasta algunos escarabajos, cuya estructura periódica no solo les ayuda en el camuflaje, también les permite moverse en entornos húmedos. La naturaleza está llena de color estructural.

1⃣5⃣Todos estos ejemplos de nanoestructuras ordenadas formando (pseudo)cristales fotónicos en animales no solo son bonitos e interesantes desde el punto de vista biológico, sino que han servido de inspiración para el desarrollo de cristales fotónicos por el ser humano. Veámoslo.

1⃣6⃣En la imagen podéis ver cómo funciona un sensor de humedad de cristal fotónico, hecho con nanopartículas de sílica. Al aumentar el %humedad en la estructura nanoporosa, ésta pasa de reflejar del azul al rojo. ¿De dónde sacaron la idea? Veamos otra figura del 'paper'.

1⃣7⃣En ella, los autores citan al escarabajo Hércules, un escarabajo rinoceronte presente en Sur- y Centroamérica cuyas estructuras nanoporosas ordenadas también cambian con la humedad, cambiando el color que vemos del animal (📷: J. H. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 103701, 2010)

Con el escarabajo Hércules termina este viaje por los cristales fotónicos naturales. Hemos visto el origen físico y ejemplos distintos de animales con colores característicos gracias al orden en sus nanoestructuras. Si os ha gustado el hilo, dadle a RT y seguidme. ¡Hasta otra!

PD: Hace unos meses vimos la utilidad, más allá de la estética, del color y de la emisión de luz en algunos animales. En aquella ocasión me centré en el color-pigmento y en la bioluminiscencia. Si tenéis curiosidad, echadle un vistazo al hilo: