Coloración estructural para niños
Coloración estructural es una forma especial en que algunos seres vivos y materiales producen colores brillantes. A diferencia de los colores que vienen de los pigmentos (como la pintura), la coloración estructural se crea por la forma en que la luz interactúa con estructuras muy pequeñas en la superficie de un objeto. Estas estructuras son tan diminutas que no se pueden ver a simple vista.
Un ejemplo famoso son las plumas de la cola de los pavos reales. Aunque sus plumas tienen un pigmento marrón, su estructura hace que parezcan azules, turquesas y verdes. Además, a menudo cambian de color según el ángulo desde el que se miren, un efecto llamado iridiscencia.
Los científicos Robert Hooke e Isaac Newton fueron los primeros en notar este tipo de colores. Un siglo después, Thomas Young explicó cómo funciona, basándose en la interferencia de ondas de la luz. Él descubrió que la iridiscencia ocurre cuando la luz rebota en varias capas muy delgadas. Dependiendo del ángulo, las ondas de luz se suman o se restan, haciendo que veamos diferentes colores.
En animales como las aves y las mariposas, estas estructuras microscópicas pueden ser como redes de difracción, espejos especiales o cristales diminutos. En las plantas, los colores brillantes también se producen por estructuras dentro de sus células. Por ejemplo, las bayas de Pollia condensata tienen el azul más brillante conocido en la naturaleza, gracias a unas espirales de celulosa que dispersan la luz.
La coloración estructural tiene muchas aplicaciones posibles en la tecnología, como crear camuflajes que cambian de color o vidrios que no reflejan la luz.
Contenido
Historia de la Coloración Estructural
Primeras Observaciones de Colores Brillantes
En 1665, el científico inglés Robert Hooke escribió en su libro Micrographia sobre los colores "fantásticos" de las plumas del pavo real. Él notó que estos colores no venían de pigmentos, sino de la estructura de las plumas. Describió que las plumas tenían muchas partes muy delgadas y cercanas entre sí, como pequeñas láminas. Estas láminas reflejaban la luz de una manera especial, haciendo que los colores cambiaran según cómo se miraran. Hooke también descubrió que si las plumas se mojaban, perdían sus colores, lo que le hizo pensar que el efecto se debía a cómo la luz se reflejaba y refractaba.
Las Ideas de Newton y Young
En 1704, Isaac Newton también habló sobre los colores de las plumas del pavo real en su libro Opticks. Newton pensó que los colores surgían del grosor mínimo de las partes transparentes de las plumas, como los "finos cabellos" que crecen de las ramas de las plumas.
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Más tarde, Thomas Young (1773–1829) amplió la teoría de la luz. En 1803, demostró que la luz también se comporta como una onda y puede crear patrones de interferencia al pasar por bordes o rendijas. Esto ayudó a entender mejor cómo se forman los colores estructurales.
Reconocimiento de los Colores Estructurales
En 1892, Frank Evers Beddard (1858–1925) escribió el libro Animal Coloration. En él, reconoció que los colores de los animales pueden ser causados por pigmentos o por "efectos ópticos" debido a la forma en que la luz se dispersa, difracta o refracta. A estos últimos los llamó "colores estructurales", y dijo que eran causados por la estructura de las superficies. Mencionó el brillo metálico de las plumas de los colibríes como un ejemplo, causado por finas estrías en sus plumas.
Al principio, Beddard pensó que los colores estructurales siempre necesitaban un fondo de pigmento oscuro y que eran raros. Sin embargo, más tarde admitió que el topo dorado del cabo tenía "peculiaridades estructurales" en su pelaje que le daban sus colores brillantes.
Cómo Funcionan los Colores Estructurales
Colores sin Pigmentos
La coloración estructural no usa pigmentos. Los colores se producen cuando un material tiene patrones de líneas finas y paralelas, o varias capas delgadas, o microestructuras tan pequeñas como la longitud de onda de la luz.
Por ejemplo, el color azul o verde de muchas aves (como los abejarucos o los martín pescador) se debe a este fenómeno. También se ve en las alas de muchas mariposas y en los caparazones de algunos escarabajos. A menudo, estos colores son iridiscentes, como en las plumas del pavo real o en el nácar de las conchas. Esto significa que el color que vemos cambia según el ángulo desde el que miramos, porque la luz se refleja de manera diferente. A veces, los colores estructurales se combinan con colores de pigmento; por ejemplo, las plumas del pavo real tienen pigmento de melanina además de su estructura.
El Principio de la Iridiscencia
La iridiscencia, explicada por Thomas Young, ocurre cuando capas muy delgadas reflejan la luz. Una parte de la luz rebota en la superficie superior de la capa, y otra parte atraviesa la capa y rebota en la superficie inferior. Estas dos ondas de luz viajan de vuelta en la misma dirección, pero la que rebota en la parte inferior viaja un poco más. Esto hace que las ondas se "desfases" (no estén en el mismo punto al mismo tiempo).
Cuando las ondas se encuentran desfasadas de cierta manera (en ángulos específicos), se suman y crean una reflexión muy fuerte de un color. En otros ángulos, se restan y la reflexión es débil. Por eso, una estructura con capas delgadas parece cambiar de color cuando se mueve, como las alas de las mariposas o las plumas de algunas aves.
Mecanismos de la Coloración Estructural
Estructuras Fijas
Existen varias estructuras fijas que pueden crear colores estructurales. Estas pueden ser más complejas que una simple capa delgada. Cada mecanismo resuelve el problema de crear un color brillante o una combinación de colores que se vea desde diferentes direcciones.
Una red de difracción está formada por capas de quitina y aire. Esto crea los colores en las alas de muchas mariposas y en las plumas de la cola de los pavos reales. Hooke y Newton tenían razón al decir que los colores del pavo real se crean por interferencia, pero las estructuras responsables son tan pequeñas que no podían verlas con sus microscopios ópticos de la época.
Otra forma de red de difracción se encuentra en las alas de las mariposas tropicales del género Morpho, que tienen formas de quitina parecidas a árboles. En el ave del paraíso de Lawes (Parotia lawesii), las plumas de su pecho tienen forma de V, creando microestructuras que reflejan dos colores brillantes: azul-verde y naranja-amarillo. Cuando el ave se mueve, el color cambia drásticamente entre estos dos, lo que ayuda al macho a atraer a las hembras.
Los cristales fotónicos también pueden crear colores. En la mariposa Parides sesostris, con parches color esmeralda, los cristales fotónicos son arreglos de pequeños agujeros en la quitina de sus alas. Estos agujeros miden unos 150 nanómetros y están muy ordenados, haciendo que la mariposa refleje la luz de manera uniforme y no sea iridiscente. Otro ejemplo es el gorgojo Lamprocyphus augustus de Brasil, que tiene un exoesqueleto cubierto de escamas verdes iridiscentes. Estas escamas contienen redes cristalinas con forma de diamante que reflejan un verde brillante que apenas cambia con el ángulo de visión.
Los espejos selectivos son estructuras en forma de cuenco, cubiertas con múltiples capas de quitina. Se encuentran en las escamas de la mariposa cola de golondrina esmeralda (Papilio palinurus). Estos cuencos actúan como espejos que reflejan selectivamente dos longitudes de onda de luz. La luz amarilla se refleja directamente en el centro de los cuencos, y la luz azul se refleja dos veces en los lados. La combinación crea un color verde, pero bajo el microscopio se ven puntos amarillos rodeados de círculos azules.
Las fibras cristalinas, formadas por arreglos hexagonales de nanofibras huecas, crean los colores brillantes de las cerdas de Aphrodita, el ratón marino. Sus colores son una señal de advertencia para los depredadores. Las paredes de quitina de las cerdas huecas forman cristales fotónicos con un patrón hexagonal. Ópticamente, la estructura se comporta como si tuviera 88 redes de difracción, haciendo de Aphrodita uno de los organismos marinos más iridiscentes.
Las matrices deformadas son nanocanales orientados al azar en una matriz de queratina, como una esponja. Estas crean el color difuso y no iridiscente del guacamayo azul y amarillo (Ara ararauna). Como no todas las reflexiones están en la misma dirección, los colores, aunque hermosos, no cambian mucho con el ángulo, por lo que no son iridiscentes.
Las estructuras en espiral, hechas de microfibrillas de celulosa apiladas en forma de hélice, producen las reflexiones de Bragg en las "moras canica" de la hierba africana Pollia condensata. Esto resulta en el azul más intenso conocido en la naturaleza. La superficie de las moras tiene capas de células con paredes gruesas que contienen espirales de celulosa transparente, separadas de tal manera que permiten la interferencia constructiva con la luz azul. Debajo de estas células hay una capa de células oscuras. Pollia produce un color más fuerte que el de las mariposas Morpho y es uno de los primeros casos de coloración estructural conocidos en plantas. Cada célula tiene su propio grosor de fibras, lo que hace que refleje un color diferente, creando un efecto pixelado con diferentes azules y pequeños puntos verdes, rojos y morados.
Las redes de superficie se ven en los cortes de carne. La coloración estructural en la carne aparece cuando el patrón ordenado de las fibras musculares se expone y la luz se difracta por las proteínas. El color o la longitud de onda de la luz difractada depende del ángulo de observación. Esta estructura puede desaparecer si la carne se seca o se manipula bruscamente.
Estructuras Variables
Algunos animales, como los cefalópodos (por ejemplo, el calamar), pueden cambiar su color rápidamente para camuflarse o comunicarse. Esto se logra con proteínas especiales que pueden cambiar de forma. En la piel del calamar Loligo pealeii, las proteínas de reflectina en los cromatóforos (células que cambian de color) se organizan de forma diferente según la carga eléctrica. Cuando no hay carga, las proteínas están muy juntas, formando una capa delgada que refleja la luz. Cuando hay carga, se separan, cambiando el espacio entre las capas y, por lo tanto, el color de la luz reflejada.
Ejemplos de Coloración Estructural
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Los abejarucos europeos deben sus brillantes colores en parte a las microestructuras de redes de difracción en sus plumas.
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Las mariposas Morpho como la Morpho helena tienen colores brillantes producidos por intrincadas microestructuras con forma de abeto, las cuales son muy pequeñas para microscopios ópticos.
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El macho de las aves Parotia lawesii manda señales a la hembra con sus plumas pectorales que cambian de azul a amarillo.
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El verde brillante de las mariposas cola de golondrina esmeralda es creado por arreglos de cuencos microscópicos que reflejan la luz amarilla directamente y la azul por sus lados.
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La mariposa con parches color esmeralda, Parides sesostris, crea su color verde brillante a través de cristales fotónicos.
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Escamas iridiscentes Lamprocyphus augustus de un escarabeido que contienen redes cristalinas con forma de diamante orientadas en todas las direcciones, para dar un color verde casi uniforme.
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Cerdas huecas de nanofibras Aphrodita aculeata (una especie de ratón marino) que reflejan luz en tonos de amarillo, rojo y verde para ahuyentar a los depredadores.
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Rubins J. Spaans - primeras obras de arte con colores estructurales
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El calamar de aleta larga Loligo pealeii ha sido estudiado por su habilidad para cambiar de color.
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La iridiscencia en la carne es causada por redes de difracción de superficie.
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Aplicaciones de la Coloración Estructural en la Tecnología
Biomímesis y Nuevas Tecnologías
La coloración estructural tiene un gran potencial para ser usada en la industria y el comercio. Los científicos están investigando cómo aplicar estos principios. Un ejemplo es la creación de telas de camuflaje militar que puedan cambiar sus colores y patrones para adaptarse al entorno, como lo hacen los camaleones o los cefalópodos.
La capacidad de cambiar la forma en que se refleja la luz también podría llevar a la creación de interruptores ópticos, que funcionarían como transistores en computadoras y enrutadores muy rápidos.
Superficies Antirreflectantes
El ojo de la mosca doméstica tiene pequeñas proyecciones microscópicas que reducen el reflejo de la luz y aumentan la cantidad de luz que entra. De manera similar, los ojos de algunas polillas tienen superficies antirreflectantes, con pilares más pequeños que la longitud de onda de la luz.
Las nanoestructuras basadas en los ojos de las polillas podrían usarse para crear vidrios de baja reflectancia para ventanas, paneles solares, pantallas y tecnologías militares de sigilo. Estas superficies se pueden fabricar usando nanopartículas de oro y técnicas especiales de grabado.
Véase también
En inglés: Structural coloration Facts for Kids
