Bioinspiración y biomimética: Veo tus colores verdaderos.
Los colores más asombrosos de la naturaleza no utilizan pigmentos o colorantes; son estructuras que reflejan la luz en frecuencias determinadas. Actualmente se está experimentando con nano estructuras inspiradas en las alas de las mariposas para mejorar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos, reducir el consumo de las pantallas de celulares, crear superficies antirreflejo más eficientes e inclusive desarrollar nuevos pigmentos más sostenibles. En el futuro próximo, podremos cambiar el color de nuestras prendas y objetos con tan solo presionar un botón.
Mi particular relación con los colores
Desde muy pequeño tengo una gran fascinación por el color azul. Recién de adulto entendí que esto no era fortuito, sino que tengo un tipo de daltonismo genético (tricromatismo protanómalo) que limita mi capacidad de percibir y diferenciar los tonos del color rojo. Por ejemplo, suelo confundir el color rosa con el blanco y el rojo con otros colores. Sin embargo el azul es un color que puedo diferenciar de manera clara e inequívoca. ¿Cuáles son las consecuencias en mi vida? Nunca podré trabajar de bombero, piloto de avión, capitán de marina mercante, policía o árbitro de fútbol. Por otro lado, viendo el lado positivo, tengo una muy buena excusa para evitar todo tipo de discusiones con mi mujer relacionadas al punto de cocción de la carne y la combinación de los colores de mi vestimenta, que habitualmente suele ser en la gama del azul.
Anatomía del ojo y percepción del color
En el fondo del ojo existen millones de células especializadas en detectar las longitudes de onda procedentes de nuestro entorno. Estas células, principalmente los conos y los bastones, recogen las diferentes frecuencias del espectro de luz y las transforman en impulsos eléctricos, que son enviados al cerebro a través de los nervios ópticos. Es el cerebro (concretamente la corteza visual, que se halla en el lóbulo occipital) el encargado de hacer consciente la percepción del color.
Los bastones se activan en la oscuridad y solo permiten distinguir el negro, el blanco y gama de grises; nos permiten percibir el contraste. Los conos en cambio funcionan de día o en ambientes iluminados y hacen posible la visión de los colores. Existen tres tipos de conos; uno especialmente sensible a la luz roja, otro a la luz verde y un tercero a la luz azul. La combinación de estos tres colores básicos: rojo, verde y azul, permite diferenciar numerosos tonos. El ojo humano puede percibir alrededor de 8.000 colores y matices dependiendo del nivel de iluminación.
Los objetos absorben y reflejan la luz de forma distinta dependiendo de sus características físicas, como su forma, composición, etc. El color que percibimos es en realidad la frecuencia de luz que la superficie del objeto rechaza. Nosotros captamos esos “rebotes” con diferentes longitudes de onda, gracias a la estructura de los ojos. Por otro lado, si los rayos de luz atraviesan al objeto, este será percibido como transparente.
Azul como el mar… verde!?
Hace algunos años un episodio familiar disparó nuevamente mi curiosidad por los colores de las cosas. Mi hija Sofía comenzó a teñirse el pelo de rojo, color que como comenté anteriormente no logro distinguir, y mi hijo Nicolás intentó teñirse el pelo de color azul. Digo intentó porque claramente los resultados no fueron los esperados; después de decolorarse se aplicó la tintura azul, pero el pelo finalmente… ¡le quedó de color verde!
Eso me llevó a explorar y reflexionar acerca de la ocurrencia del color azul en la naturaleza. Claramente no hay perros azules e inclusive las conocidas ballenas azules no son azules. En la naturaleza nos encontramos con animales de una gran variedad de colores, pero el azul parece ser el menos frecuente. Los animales azules suelen ser realmente asombrosos, con colores ricos, plenos y sobre todo extremadamente llamativos. ¡Cuando se trata del color azul, la naturaleza no se anda a medias tintas!
Para entender porqué sucede esto, hare un breve recorrido por los caminos de la evolución y explicaré algunos conceptos básicos de la física y la química; pero antes tenemos que entender porque los animales son de diversos colores. Comencemos por el ejemplo de las mariposas. Son un grupo de polillas que evolucionaron para poder realizar actividades durante el día y esto supone una gran ventaja: utilizan la luz para comunicarse. De todos los insectos las mariposas lucen los colores más brillantes y detallados y hay una buena razón para esto. Los mismos provienen de escamas microscópicas en la superficie de sus alas y de allí surge su nombre: “Lepidoptera”. Los colores en la alas de las mariposas comunican mensajes como “soy tóxico” u “ojo que soy macho y estás en mi territorio”.
Las mariposas, aves e inclusive los humanos no generamos pigmentos de la nada misma; los producimos a partir de ingredientes contenidos en los alimentos que ingerimos. Un ejemplo clásico es el de los flamencos. Cuando nacen son de color gris, pero se vuelven rosa gracias a un pigmento llamado carotenoide contenido en los crustáceos de los que se alimentan. Entonces para colores como el rojo, naranja, amarillo y marrón, podemos decir que somos lo que comemos, pero con el color azul no sucede lo mismo; el azul es un caso totalmente diferente.
Veamos el ejemplo de las mariposas Morpho azul; la famosa mariposa del emoji. A simple vista se ven azules pero no tienen pigmentos azules. El color proviene de la forma o estructura de las escamas mismas. Si hacemos zoom en las alas veremos una serie de pequeñas nervaduras. Si hacemos un corte axial y nos acercamos aún más, podremos ver que las nervaduras tienen la forma de pequeños arbolitos de navidad.
La disposición de estas nervaduras es lo que le da a la mariposa su color azul. Cuando ingresa la luz, parte rebota sobre la superficie superior, parte pasa a través de las nervaduras y rebota sobre la superficie inferior. La mayoría de los colores que se reflejan en la superficie y la parte inferior estarán fuera de fase; es decir que se cancelan mutuamente por lo que dichos colores no serán percibidos por el ojo. En cambio las ondas de luz azul tienen la frecuencia correspondiente a las nervaduras, por lo cual la luz azul reflejada estará sincronizada y el color azul será el único en llegar a nuestros ojos. Dicho de otra manera, estas nervaduras son como un juego de espejos que atrapan el resto de los colores y dejan escapar solo la luz de color azul.
Lo mismo sucede con las plumas de ciertas aves como el pavo real. Inclusive los ojos azules están coloreados por nano estructuras y no por pigmentos. De hecho fuera del océano, no hay vertebrados, aves, mamíferos o reptiles conocidos, que produzcan pigmento azul en su cuerpo. En la naturaleza el pigmento azul es increíblemente raro.
¿Pero porqué en la naturaleza casi todos los colores azul están hechos de nano estructuras en lugar de pigmentos como el resto de los colores?. En algún momento de la evolución, los pájaros y las mariposas comenzaron a ver la luz azul, pero aún no habían evolucionado lo suficiente como para pintar sus propios cuerpos con esos colores. El color azul planteaba una nueva oportunidad para comunicarse y sobrevivir. Sin embargo crear pigmento azul de la nada misma hubiese requerido inventar una nueva química, e inclusive teniendo la fórmula, los animales no tienen manera de incorporar esa fórmula en sus propios genes. Era mucho más fácil para la evolución cambiar las formas de sus cuerpos a escala nanométrica y crear el azul usando la física en lugar de la química. ¡Básicamente resolvieron un problema biológico usando nano tecnología!
Biomimética e innovación.
¿Qué podemos aprender de la naturaleza en el desarrollo de nuevas tecnologías y productos?. Veamos tres ejemplos concretos:
- Paneles fotovoltaicos de mayor rendimiento.
Una de las barreras para mejorar la eficiencia de las células solares en general es el alto costo del hardware de movimiento para rastrear al sol (seguidores solares). En este nuevo esfuerzo, los investigadores KIT y Caltech se inspiraron en la mariposa negra (Pachliopta aristolochiae) que se encuentra comúnmente en la India. Sus suaves alas negras calientan al insecto de sangre fría durante los períodos fríos y están cubiertas por escamas micro y nano estructuradas que recogen la luz solar en un amplio rango espectral y angular. Teniendo en cuenta que estas propiedades son particularmente atractivas para las aplicaciones fotovoltaicas, analizaron la contribución de estas micro y nano estructuras, centrándose en el desorden estructural observado en las escamas de las alas. Además de los experimentos de microespectroscopía, llevaron a cabo simulaciones ópticas tridimensionales de la estructura a escala real. Sobre la base de estos resultados, diseñaron absorbentes fotovoltaicos finos nano estructurados con nano perforaciones desordenadas, que combinan las propiedades eficientes de acoplamiento de luz y captación de luz junto con una gran versatilidad angular. Los absorbedores nano estructurados lograron un aumento de absorción integral del 90% en un ángulo de incidencia normal de luz y de hasta 200% para grandes ángulos de incidencia, lo que demuestra el potencial de las estructuras de la mariposa negra para la recolección de luz en células solares de película delgada. Para mayor información: https://phys.org/news/2017-10-black-butterfly-wings-solar-cells.html
2. Materiales más transparentes.
Los materiales transparentes, como el vidrio, siempre reflejan parte de la luz incidente. Prueba de esto es la dificultad de ver la pantalla de nuestros celulares bajo el sol. Sin embargo, las alas de la mariposa de cristal, que vive principalmente en América Central, tienen un reflejo muy bajo al mirarlas desde ángulos diversos. Dependiendo del ángulo de visión, el reflejo especular varía entre dos y cinco por ciento. En comparación, un vidrio plano refleja entre ocho y cien por ciento de la luz; es decir, la reflexión excede la del ala de mariposa por varios factores. Curiosamente, el ala de la mariposa no solo exhibe un bajo reflejo del espectro de luz visible para los humanos, sino que también suprime la radiación infrarroja y ultravioleta que los animales, a diferencia de los humanos, pueden percibir. Esto es importante para la supervivencia de la mariposa. Los investigadores de KIT, bajo la dirección de Hendrik Hölscher, encontraron que las nano estructuras irregulares en la superficie del ala de la mariposa son las responsables del reflejo reducido. En experimentos teóricos, lograron reproducir el efecto que abre fascinantes opciones de aplicación, como por ejemplo las pantallas de teléfonos móviles o computadoras portátiles. Los primeros experimentos y prototipos además revelaron que este tipo de recubrimiento superficial también tiene el efecto de ser repelente al agua e inclusive es auto limpiante. Para mayor información: https://phys.org/news/2015-04-low-reflection-wings-butterflies-invisible.html
3. Más blanco imposible.
La empresa Impossible Materials, una spin-off de la Universidad de Cambridge, ha desarrollado un pigmento blanco basado en celulosa para reemplazar el dióxido de titanio (TiO2) en aplicaciones alimentarias. Este desarrollo se inspiró en el escarabajo Cyphocilus, conocido por su caparazón de color blanco brillante.
El TiO2 se ha utilizado tradicionalmente en diversas industrias, incluyendo la alimentaria y la farmacéutica, por su capacidad para proporcionar un color blanco brillante y bloquear los rayos UV. Sin embargo está clasificado por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) de las Naciones Unidas como posible carcinógeno humano. En octubre de 2020 la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) dictaminó que el TiO2 ya no se considera seguro cuando se utiliza como aditivo alimentario.
Por otro lado el TiO2 es uno de los principales ingredientes de los protectores solares, ya que actúa como protector contra los dañinos rayos ultravioletas (UV). Aunque la mayoría de los principales organismos reguladores lo consideran generalmente seguro para uso humano en las concentraciones utilizadas en los protectores solares, el TiO2 concentrado o la exposición a largo plazo podrían resultar tóxicos para una variedad de peces y otros organismos acuáticos.
Aquí es donde entra en juego el innovador enfoque de Impossible Materials. Al estudiar la estructura del caparazón del escarabajo Cyphocilus, los investigadores pudieron entender cómo este insecto logra su color blanco brillante de manera natural. Para que algo parezca blanco, la luz de todas las longitudes de onda visibles debe dispersarse. La clave para crear un material blanco es crear una estructura rugosa y porosa en la que la luz pueda rebotar. El exoesqueleto del escarabajo Cyphochilus contiene precisamente eso: un extraordinario sistema en forma de red que Impossible Materials reconoció como uno de los mejores dispersores de luz que se encuentran en la naturaleza. Utilizando las escamas del escarabajo como bioinspiración, el equipo de Impossible Materials buscó una estructura fibrosa similar para crear el color blanco, la cual identificaron en la celulosa. Su estructura inherente en forma de varillas imita el sistema de dispersión de luz del escarabajo Cyphochilus. A partir de esta comprensión, desarrollaron un pigmento a base de celulosa que puede replicar este efecto de blanqueamiento sin la necesidad de TiO2.
Este avance no solo tiene el potencial de proporcionar una alternativa más segura al TiO2, sino que también representa un paso importante hacia la creación de productos más sostenibles y respetuosos con el ambiente. Con este desarrollo, Impossible Materials está demostrando cómo la ciencia y la tecnología pueden trabajar juntas para encontrar soluciones innovadoras a los desafíos actuales.
Finalmente para relajar la mente después de tanta ciencia, les dejo el video de la popular canción de los 80s de Cyndi Lauper: Colores verdaderos.
“Veo tus colores verdaderos, brillando a través (de ti). Veo tus colores verdaderos y por eso te amo. Así que no tengas miedo de mostrarlos. Tus colores verdaderos. Tus colores verdaderos son hermosos, como un arcoíris”.
Charly Karamanian es socio fundador de CINNID Innovation Partners.
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