Es bien conocido que el color observado a nuestro alrededor se debe principalmente a la presencia de pigmentos naturales o artificiales. Los pigmentos son compuestos químicos que absorben ciertos rangos de longitud de onda de la luz. Al iluminar un objeto, la luz no absorbida es reflejada por él (o transmitida a través de él), dando lugar al color que le atribuimos. Por ejemplo, el color verde de las hojas de las plantas se debe a la clorofila, que captura luz azul y roja para la fotosíntesis en la planta, y refleja o dispersa luz verde (Figura 1). Del mismo modo, el color y el tono (más o menos oscuro) de nuestra piel depende de la cantidad de melanina que sintetiza nuestro organismo.
Sin embargo, hay otros colores que no pueden explicarse solo por la absorción y reflexión de luz a partir de la composición química del objeto. Fijémonos en el patrón de colores observado cuando se derrama aceite usado de motor sobre asfalto húmedo o en los llamativos colores cambiantes de las pompas de jabón (Figura 2). El aceite usado suele ser muy oscuro y no experimenta transformación química alguna tras derramarse sobre el suelo mojado (el agua y el aceite son inmiscibles). Igualmente, las pompas de jabón tampoco se diferencian químicamente del jabón de una pastilla, que tampoco muestra esos llamativos colores. Entonces, ¿qué explica la variedad de colores observada en ambos casos?
Ambos son ejemplos de colores iridiscentes generados por una combinación oportuna de procesos ópticos (reflexión, refracción e interferencias) en una lámina fina del aceite (el agua del suelo estira ese aceite) o de la burbuja jabonosa.
Pues bien, algunos animales también exhiben fascinantes colores iridiscentes debido a un fenómeno similar, pero aún más espectacular: poseen un entramado de microestructuras idóneas para producir el llamado color estructural. Veamos cómo lo hacen.
Color estructural: De la lámina delgada al cristal fotónico
Cuando la luz incide sobre una lámina delgada, el rayo incidente se divide en dos partes: una se refleja en la superficie superior y otra atraviesa la lámina para reflejarse en la superficie inferior. Las dos ondas reflejadas finalmente (1 y 2 en la Figura 3a) interfieren entre sí, propiciando que se refuercen o se cancelen determinados colores de la luz. Cómo ocurra esa interferencia depende de los medios involucrados (por ejemplo, en el caso del aceite derramado: aire, aceite y agua), del espesor de la lámina (para reforzar colores ha de ser ínfimo, del mismo orden que las longitudes de onda del espectro visible), del punto de observación y de la luz que ilumina.
Aunque con una lámina delgada se puede ampliar la reflexión de un cierto color, en general, el contraste entre los colores reflejados y los transmitidos es limitado, porque es inevitable que una parte de la luz incidente se transmita a través de la lámina y no participe en la interferencia después de los procesos de reflexión. Entonces, ¿cómo aumentar el porcentaje de luz reflejada para un color deseado?
Sabemos que una forma eficaz de reforzar el color estructural consiste en apilar láminas delgadas, una encima de la otra, con espesores bien definidos de modo que toda la luz reflejada parcialmente de un determinado rango de longitud de onda, es decir, de un determinado color, sea reforzada hasta casi el 100 % de la luz inicial. En el resto de longitudes de onda los espesores no son idóneos, la luz reflejada es mucho más débil y no da lugar a colores bien definidos.
Una multicapa con estas características se llama reflector de Bragg (DBR, por sus siglas en inglés) o también cristal fotónico de una dimensión (Figura 4a). Cada lámina tiene un espesor, di, que cumple la condición di = λBr /4ni, donde ni es el índice de refracción de la capa (una medida de cómo la luz se ralentiza al pasar por ese material en comparación con el aire) y λBr es la longitud de onda de la luz en torno a la cual se obtiene la alta reflectancia (“longitud de onda de Bragg”).
Los DBR, o cristales fotónicos 1D, se usan desde hace tiempo para producir espejos de colores y para recubrir varios dispositivos ópticos. Desde los años 70 se emplean como espejos altamente reflectantes en diodos láser y, más recientemente, han sido empleados en los espejos del interferómetro de detección de ondas gravitacionales Advanced LIGO, contribuyendo a reducir significativamente las pérdidas ópticas.
Ahora bien, como se observa en la estructura DBR sobre silicio de la Figura 4b, la periodicidad que propicia la interferencia constructiva de las ondas reflejadas se produce solo en una dirección (la del apilamiento), haciendo que el rango angular en el que se refleja el color deseado sea limitado. Por eso interesa ampliar la periodicidad a dos y tres dimensiones para obtener cristales fotónicos 2D y 3D, no exactamente como se muestra en la Figura 4c, sino buscando estructuras más elaboradas y con motivos periódicos más simétricos, como triángulos o círculos. Para que den lugar a colores que podamos ver (nosotros y los animales), esos motivos deben tener tamaño comparable a la longitud de onda de la luz, es decir, como mucho una milésima de milímetro (un micrómetro, 1 μm).
Lo interesante es que tales microestructuras fotónicas complejas no las ha inventado el ser humano, sino que han surgido en el reino animal a través de la evolución.
Cristales fotónicos en el reino animal
Veamos algunos ejemplos de microestructuras ordenadas en animales que fascinan a científicos y a amantes de la naturaleza.
- Las plumas de la cola del pavo real macho están formadas por queratina, melanina y canales de aire, dispuestos en una estructura fotónica 2D ordenada, generando de vibrantes tonos azules y verdes iridiscentes. Análogamente a la ecuación citada del reflector de Bragg, una ligera diferencia de tamaño de estos filamentos de melanina hace que parte de la pluma sea azul o verde, mientras que el pigmento en sí (la melanina) es responsable del color marrón del resto del plumaje.
- Las alas de los machos y de algunas hembras de muchas especies de mariposa Morpho tienen un espectacular brillo azul. Las imágenes de dichas alas tomadas, por un microscopio electrónico (Figura 5b), revelan una estructura cuasiperiódica 2D en su exoesqueleto, formada por capas alternadas de quitina y aire. La presencia de melanina en ciertas zonas contribuye a reducir la cantidad de luz reflejada, aumentando la saturación del azul respecto al resto de colores.
- El color azul en la cara del mandril se debe a sus arreglos cuasiordenados de fibras de colágeno en la dermis.
- El caparazón del gorgojo Lamprocyphus augustus exhibe una iridiscencia verde brillante debido a una estructura fotónica 3D basada en un reticulado tridimensional en sus escamas compactas de quitina (Figuras 5d y 5e). Más adelante veremos que el del escarabajo Hércules (Dynastes hercules) también posee una cutícula de quitina, pero basada en una estructura nanoporosa que, junto con la presencia de melanina, le proporcionan un color anaranjado en ambientes secos.
- La piel del camaleón pantera relajado es verde debido a la combinación de una red fotónica triangular de cristales de guanina (que daría lugar a un color azul) y pigmentos xantóforos (color amarillo). La suma de ambos (azul y amarillo) da lugar al mencionado color verde. Más adelante veremos que esta estructura fotónica es responsable del cambio de color del animal cuando se excita.
Rol de los cristales fotónicos en la naturaleza
Como vemos, los animales con colores estructurales no están simplemente recubiertos por una capa fina iridiscente, sino que están dotados de microestructuras sofisticadas que potencian interferencias de determinadas longitudes de onda (determinado color). Ir más allá del estudio en sí mismo de estas estructuras fotónicas y desentrañar sus mecanismos subyacentes, así como las funciones biológicas asociadas a tales configuraciones, sigue siendo un enorme desafío para la comunidad científica. De hecho, podemos encontrar diversas hipótesis, en ocasiones contradictorias, sobre el papel funcional que desempeñan en las especies que las presentan.
Por ejemplo, apenas existen pigmentos naturales azules y, salvo contadas excepciones, ningún animal puede sintetizarlos. Por eso, el color azul iridiscente permite a los animales destacar de forma llamativa en su entorno, facilitando la comunicación visual a larga distancia, ya sea como atractivo sexual o para señalizar su presencia a otros miembros de la especie. Sin embargo, esta visibilidad también incrementa el riesgo de ser detectado por depredadores. Por tanto, aunque existe un consenso general sobre las ventajas en este caso del color estructural en términos de comunicación y selección sexual, su impacto en la supervivencia y las dinámicas ecológicas aún está lejos de comprenderse por completo.
Por otra parte, el rol biológico de estas estructuras puede ir, en ocasiones, más allá del efecto visual. Por ejemplo, se estudia si algunas podrían aportar ventajas para regular la temperatura interna, debido a la menor y más dirigida absorción de la luz solar. En otras se ha planteado que podrían facilitar los desplazamientos del animal en entornos húmedos, porque, de un modo similar a las tejas de un tejado, presentan una alta hidrofobicidad. Y también se analiza cómo ciertas microestructuras de queratina (en el pavo real) refuerzan la pared externa y evitan el colapso de la estructura fotónica bajo impacto.
El camaleón pantera y los cristales fotónicos reactivos
Los cristales fotónicos de algunos animales no solo presentan propiedades como las mencionadas, sino que, además, pueden modificarse dinámicamente, provocando entonces súbitos cambios en el color estructural del animal.
Así ocurre con el camaleón pantera (Furcifer pardalis), que cambia de color gracias a una red dinámica de nanocristales en su piel. Investigadores de la Universidad de Ginebra enfrentaron a dos camaleones pantera de Madagascar y midieron su cambio de color utilizando técnicas de fotometría in-vivo y microscopía electrónica, entre otras. Ambos machos pasaron de un color mayormente verde (relajado) a otro amarillo-rojizo (excitado) (Figura 6a). El mecanismo que produce este cambio es la variación en la distancia entre los cristales de guanina ordenados en las células cromatóforas de su piel, que puede aumentar hasta en un 30 % cuando el camaleón se excita (Figura 6b). Este cambio de color resulta muy útil a los camaleones, tanto para el camuflaje como para la competición entre machos.
Inspirados en el mecanismo de cambio de color del camaleón pantera, se han desarrollado los denominados cristales fotónicos mecanocrómicos (CFM), que modifican su color estructural al aplicarles estímulos mecánicos (fuerzas). Estos materiales representan una categoría dentro de los cristales fotónicos reactivos (CFR): estructuras que alteran sus propiedades ópticas frente a distintos tipos de estímulo externo.
Un ejemplo de dispositivo CFR es un sensor de humedad, inspirado en el escarabajo Hércules. Las estructuras fotónicas en la cutícula nanoporosa de este animal se alteran según sea la humedad relativa de su entorno. A mayor humedad, mayor proporción de agua hay en los poros, lo que modifica la interferencia de la luz reflejada y, consecuentemente, el color, que palidece frente al color oscuro de la melanina (Figuras 7 a - d). Inspirados en este fenómeno, se han desarrollado a nivel de laboratorio sensores de cristales fotónicos porosos para monitorizar la humedad con un bajo consumo energético (Figura 7e).
Perspectiva
El estudio de los cristales fotónicos, tanto en sistemas naturales como en materiales sintéticos, continúa abriendo nuevas vías en ciencia y tecnología. Analizar en mayor profundidad sus funciones biológicas, no solo permite comprender mejor fenómenos como la comunicación visual, la selección sexual o el camuflaje, sino que también puede ofrecer nuevas claves sobre los procesos evolutivos y las estrategias de adaptación en el reino animal.
En paralelo, la investigación en cristales fotónicos artificiales progresa hacia el desarrollo de dispositivos capaces de responder a estímulos externos, como sensores, pantallas dinámicas o materiales utilizados en tecnologías contra la falsificación. Aunque de momento los diseños presentan limitaciones en términos de durabilidad, escalabilidad o coste, dificultando su aplicación práctica a gran escala, estos avances representan un ejemplo prometedor del potencial que tiene trasladar principios observados en la naturaleza al diseño de nuevos materiales funcionales con propiedades inesperadas o difíciles de lograr por otros medios.
