Pintura azul iridiscente que imita las alas de la mariposa Morpho

Dibujo20151118 Optical microscope images for structural colors from patterned areas as artificial wing scalessrep16637-f5

Gran parte de la belleza de las mariposas Morpho se debe a la iridiscencia de sus alas azules. Pintar una superficie con alas de mariposa no parece fácil, pero se puede nanofabricar un material biomimético iridiscente que simule las alas de mariposa. Por ahora la pintura de alas de mariposa Morpho no es una imitación perfecta: tiene una reflectancia un 20% menor que la del ala de una mariposa Morpho y su color azul se corre ligeramente hacia el rojo para ángulos rasantes (presenta un déficit de un 16% en el azul para estos ángulos). Futuros trabajos tendrán que corregir estas pequeñas deficiencias.

El artículo es Sichao Zhang, Yifang Chen, «Nanofabrication and coloration study of artificial Morphobutterfly wings with aligned lamellae layers,» Scientific Reports 5: 16637 (18 Nov 2015), doi: 10.1038/srep16637.

Dibujo20151118 Schematic diagram for the Morpho butterfly wing scales srep16637-f1

La nueva pintura se basa en una nanoestructura 3D que imita las escamas de las alas de las mariposas Morpho. Su fabricación usa litografía de haces de electrones para lograr una estructura fotónica formada por nanopilares con capas alternas de PMMA (el polímero termoplástico llamado polimetilmetacrilato), pintado de color azul en la figura, cuyo índice de refracción es de 1,50, y LOR (el material Lift-Of-Resist patentado por MicroChem Corp.), pintado de color ocre en la figura, con índice de refracción 1,58; también se ha fabricado una estructura solo con PMMA, pintado de color celeste en la figura. Ambos materiales (PMMA y LOR) carecen de color bajo luz visible (son totalmente transparentes). La capa de PMMA tiene un grosor de 87 nm y la de LOR de 130 nm; se han fabricado y estudiado pilares con 11 capas (5 periodos) y 15 capas (7 periodos).

Dibujo20151118 The schematic diagram for the light illumination with normal incidence and oblique incidence srep16637-f7

La respuesta fotónica de los pilares multicapa de PMMA/LOR ha sido estudiada mediante simulaciones por ordenador (con el método de diferencias en el dominio del tiempo, FDTD). El espectro del color reflejado está picado a 480 nm (color azul) con un pico adicional a 590 nm (color amarillo) causado por la interfaz PMMA/Si (en el punto de apoyo del pilar); este segundo pico se minimiza si se apoyan los pilares en cuarzo.

Dibujo20151118 The micrographs of scanning electron microscope for fabricated wing scales with aligned lamellae multilayers srep16637-f4

Sin entrar en detalles del proceso de fabricación, estas micrografías al microscopio electrónico de barrido (SEM) muestran el resultado. Las medidas experimentales del espectro de luz reflejada en la región visible (400–700 nm) realizadas con un espectrómetro muestran que el espectro está picado a 430 nm, en lugar de los 480 nm predichos por las simulaciones numéricas. Se cree que está desviación de 50 nm en la luz azul se debe a variaciones en el grosor de las capas de PMMA/LOR durante el proceso de fabricación. De hecho, en los casos en los que la fabricación ha sido más exitosa se ha logrado picar el espectro más cerca de 480 nm.

Dibujo20151118 spectrum measuring as function of angle of detection srep16637-f5

Esta figura muestra la variación angular del espectro medido para luz incidente a un ángulo de 0º (arriba) y 30º (abajo) respecto a la dirección normal, para ángulos de medida entre −40° y 40° respecto a la dirección normal. Las figuras de la izquierda corresponde a la estructura PMMA/LRO y las de la derecha a la estructura PMMA (sin LRO). La intensidad reflejada se reduce a la mitad cuando el ángulo de visión supera los 16º respecto a la normal. A partir de ese ángulo el espectro se corre ligeramente hacia el rojo (unos 48 nm). La comparación entre la estructura PMMA/LRO y la estructura PMMA muestra la importancia de alternar ambos materiales.

En resumen, la biomimética y la nanofotónica, gracias a las nuevas técnicas de fabricación nanotecnológicas, permiten imitar a la Naturaleza hasta un grado que hace una década parecía casi inimaginable. La pintura de alas de mariposa Morpho es realmente asombrosa.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 noviembre, 2015
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