Biomimetismo óptico, colores sorprendentes en la naturaleza

Alas de mariposa de colores brillantes, plumajes de pavorreal de tonos extravagantes y escarabajos con apariencia metálica son resultado de un fenómeno óptico de la naturaleza, que la ciencia hoy es capaz de reproducir y explicar. Es el biomimetismo óptico, una propiedad resultante de la interacción de la luz con objetos o criaturas en la naturaleza, que genera tonalidades y efectos visuales poco comunes.

Investigador de la Unidad Querétaro del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav), el Dr. Arturo Mendoza Galván explica que el biomimetismo hace referencia a la imitación de ciertas propiedades, características y funciones presentes en la naturaleza, mediante estructuras materiales generadas por el ser humano; mientras que el biomimetismo óptico tiene que ver con la propiedad óptica derivada de la interacción de la luz o radiación electromagnética con objetos o criaturas de la naturaleza.

Los casos más conocidos son los mencionados: el color brillante de las alas de las mariposas, los colores de las plumas del pavorreal y los colores de apariencia metálica de los escarabajos. «Casos, todos ellos, en los que a nivel de micras o nanómetros sobre sus superficies ocurre esta generación de color ante la incidencia de la luz natural».

Otras criaturas que presentan esta propiedad son los pulpos, que se camuflan con su entorno natural, «es decir, adquieren las tonalidades y texturas de su entorno natural de manera controlada». También existen otras criaturas marinas con propiedades ópticas interesantes, incluso, algunas casi transparentes en el agua.

En ese sentido, surge la pregunta de por qué algunas especies animales han desarrollado esta propiedad óptica. El especialista expresa que tanto las plumas de las aves como el caparazón de cangrejos o la piel de otras criaturas tienen funciones vitales. En el caso de los escarabajos, así, su esqueleto sirve de soporte y protección, mientras que las plumas de las aves ofrecen protección y ornamento con fines reproductivos.

En algunos casos, el biomimetismo óptico aparece de manera incidental, como resultado de cientos de millones de años de evolución. Al respecto, estudios en diferentes especies han buscado una función propia del color, sin embargo, no han llegado a una conclusión definitiva.

En cuanto a los trabajos realizados en escarabajos, el Dr. Arturo Mendoza Galván remite que los primeros estudios se remontan al siglo XIX en Inglaterra, donde fueron descritos escarabajos con apariencia metálica.

Aunque durante algunos años los escarabajos dejaron de ser materia de estudio, a mediados del siglo XX el interés fue retomado, ante la invención de microscopios electrónicos posibilitando el estudio de las microestructuras de los organismos.

«A partir de ese momento, inició una nueva etapa en la investigación de las propiedades de los escarabajos y otras especies como aves y mariposas. La microscopía electrónica fue, sin duda, una herramienta útil para elucidar qué tipo de microestructuras están presentes en las plumas, en las alas y los esqueletos».

A finales de los 90 y principios de los 2000, el investigador marca otra etapa de estudio, en la que dio inicio estudio y reproducción del biomimetismo óptico, por medio del uso de ecuaciones provenientes de la Física para explicar los colores, la selectividad y las propiedades de la luz reflejada en estas criaturas.

También, comenzó el desarrollo de métodos experimentales para reproducir las estructuras en el laboratorio e imitar lo observado en la naturaleza. Así, en colaboración con científicos de la Universidad de Linköping (LiU) en Suecia, el equipo de trabajo del Dr. Mendoza Galván han estudiado y reproducido las propiedades ópticas de los escarabajos, a partir de películas nanocristalinas de celulosa.

En primer lugar, los investigadores extraen nanocristales de celulosa, presente en el papel y en gran cantidad de plantas. «Lo que hacemos es extraer las nanoestructuras de celulosa, separadas por métodos químicos, para obtener los nanocristales en suspensiones en agua».

Esos nanocristales son autoensamblados, de manera que su orientación varia en dirección perpendicular, lo cual es primordial para que, una vez que se seca la suspensión, esa estructura helicoidal quede retenida en películas sólidas y dé lugar a películas con colores más brillantes.

El equipo de investigación ha estudiado al escarabajo mayate, una especie endémica de México, cuyo vientre es muy brillante. La finalidad ha sido la de replicar sus propiedades ópticas con un material natural (celulosa).

La luz reflejada en los escarabajos, como el mayate, posee una propiedad poco común en la naturaleza: está polarizada circularmente. «En lugar de la representación común de la luz, como una onda, en los escarabajos ésta se refleja como una hélice izquierda».

Esa propiedad no es muy común en la naturaleza, sin embargo, la polarización circular ha permitido la fabricación de filtros para lentes que permiten ver películas en 3D. Este mismo efecto puede observarse en los escarabajos, ya que con un filtro puede verse el color del escarabajo y con otro, verlo completamente negro. Al respecto, el investigador explica que ese efecto es debido a que, en la cutícula del escarabajo, hay una microestructura helicoidal.

Poder reproducir el efecto del biomimetismo óptico, como en el caso de los escarabajos, abre la posibilidad de desarrollar aplicaciones tecnológicas como códigos de seguridad y la encriptación de información en una imagen.