In genere, quando pensiamo al colore, pensiamo a pigmenti e coloranti. Credito:Shutterstock
Alcune delle creature dai colori più vivaci del regno animale non devono i loro incredibili colori al pigmento. Anziché, si ricoprono di strutture microscopiche che regolano il modo in cui riflettono la luce.
Ora, questi animali stanno ispirando una nuova generazione di nanotecnologie.
Capire perché queste strutture si verificano in natura, e come possiamo imparare a usarli, ha ispirato la BioInspiration Hallmark Research Initiative dell'Università di Melbourne; un progetto che prende i principi alla base dei sistemi biologici e li applica in modo creativo alla tecnologia e al design.
Dai coleotteri alla nuovissima tecnologia
Professore Devi Stuart-Fox, un ricercatore presso la School of BioSciences dell'Università di Melbourne, sta attualmente esaminando il mondo del colore nel regno animale.
"Posso farti un esempio?" lei chiede, indicando una collezione di coleotteri dal guscio lucido sul tavolo di fronte a lei.
"Abbiamo molti coleotteri così lucidi e metallici che sono quasi a specchio e la domanda è 'perché?'"
Nell'ambito dell'iniziativa BioInspiration, Il professor Stuart-Fox sta collaborando con la professoressa Ann Roberts, della Facoltà di Fisica dell'Università, che sta lavorando alla produzione di colori strutturali per applicazioni tecnologiche come display più compatti e fotocamere a risoluzione più elevata.
Aspetti del colore
"Quando pensi agli oggetti colorati, generalmente si pensa a colori che si basano su pigmenti o coloranti, "Spiega il professor Roberts.
"In quei materiali le diverse lunghezze d'onda saranno assorbite selettivamente e le altre saranno riflesse indietro, e questo è ciò che percepiamo come colorato."
Il colore strutturale consente effetti come l'iridescenza. Credito:Shutterstock
Il colore strutturale è più sfumato.
Ricoprendo un materiale con matrici di nanostrutture, è possibile sintonizzare la superficie di un materiale su specifiche lunghezze d'onda della luce.
Adattare le dimensioni e la forma di queste strutture significa che gli scienziati possono cambiare le parti dello spettro visibile con cui interagisce una superficie.
Possono sintonizzare con precisione quali lunghezze d'onda vengono riflesse, creando colori ultra puri, e quali lunghezze d'onda vengono trasmesse, rendere la superficie trasparente per selezionare colori o polarizzazioni di luce.
Un nuovo mondo di colori
Rispetto ai pigmenti, i colori strutturali aprono un mondo di possibilità.
"Ci sono tutti questi effetti ottici che si ottengono con il colore strutturale che non si ottengono con i colori a base di pigmenti, "Spiega il professor Stuart-Fox.
Il colore strutturale consente effetti come iridescenza, dove una superficie cambia colore a seconda dell'angolo di visione.
Puoi vederlo in mostra nel piumaggio dei colibrì. Questo stesso effetto è responsabile dei riflessi color arcobaleno che vedi sul fondo di CD e DVD, e la vernice perlescente che cambia colore sulle auto.
Il dilemma della complessità
Il puzzle per biologi come il professor Stuart-Fox è capire perché gli animali usano colorazioni così complesse. Con alcuni coleotteri, la struttura del loro guscio crea un effetto speculare.
I fisici stanno elaborando modi per sfruttare gli effetti strutturali per applicazioni tecnologiche. Credito:Shutterstock
"Un'idea è che siano così lucidi da riflettere la vegetazione circostante, quindi è mimetico. Anche se sembrano risaltare come un pollice dolorante, funziona davvero, " lei dice.
"La spiegazione alternativa è che gli uccelli e altri animali possono facilmente individuare questi oggetti luccicanti, ma li evitano:pensano "quello non è cibo". Ma nessuna di queste idee è stata testata".
Il professor Stuart-Fox sta allestendo un grande esperimento posizionando centinaia di repliche di coleotteri nelle foreste pluviali e negli ambienti aperti per cercare di distinguere tra le teorie del camuffamento e dell'elusione.
Sta anche eseguendo un'attività di ricerca visiva che ha persone che indossano localizzatori oculari mobili per vedere quanto sia efficace il camuffamento dei coleotteri contro gli umani.
La natura ispira nuove tecnologie
Mentre i biologi guardano ai benefici evolutivi del colore strutturale, fisici come il professor Roberts stanno elaborando modi per sfruttare gli effetti strutturali per applicazioni tecnologiche.
Un modo per creare un colore strutturale in laboratorio consiste nell'incidere modelli in un materiale utilizzando gli elettroni in un processo chiamato litografia a fascio di elettroni.
Ma questo può richiedere molto tempo e denaro, e può essere utilizzato solo su piccole chiazze di materiale.
"Stiamo effettivamente lavorando allo sviluppo di un approccio più scalabile, "dice il professor Roberts.
Il suo lavoro prevede la produzione di stampi riutilizzabili che stampano la struttura in plastica morbida, che è molto più efficiente nel coprire grandi superfici rispetto alla litografia a fascio di elettroni. Inoltre semplifica notevolmente il processo di colorazione.
Se guardiamo alla stampa a colori standard, richiede la stratificazione di diversi inchiostri, ecco perché le stampanti a getto d'inchiostro hanno più cartucce a colori. Ma il colore strutturale può ottenere lo stesso risultato con un singolo timbro.
I pixel più piccoli consentono risoluzioni più elevate e una tecnologia più compatta. Credito:Shutterstock
E, a differenza della sua controparte a base di pigmenti, il colore strutturale non sbiadisce nel tempo.
Il futuro del colore
Mentre il colore strutturale può avere usi estetici, La ricerca del professor Roberts sta esaminando applicazioni più preziose della tecnologia, che potrebbe consentire la produzione di fotocamere a risoluzione più elevata, nonché schermi ultrasottili per televisori e smartphone.
Per ottenere cose come una risoluzione più alta, dobbiamo ridurre i pixel in questi dispositivi.
I pixel usano un rosso minuscolo, filtri verde e blu per produrre i colori che vediamo sui nostri schermi. Così, la dimensione dei pixel è fondamentalmente limitata dalla dimensione dei filtri colorati che puoi produrre.
I filtri a base di pigmenti negli attuali dispositivi hanno generalmente uno spessore di pochi micrometri. Ma con il colore strutturale, Il professor Roberts può creare filtri che sono circa dieci volte più sottili, passare alla scala nanometrica. I pixel più piccoli consentono risoluzioni più elevate e una tecnologia più compatta.
La sua ricerca recente prevede l'integrazione di un filtro colore strutturale direttamente in un chip di silicio.
"I filtri che producono rosso-verde-blu sono quindi parte integrante del dispositivo reale, non stai usando un grosso filtro a base di colorante che ci metti sopra, " lei dice.
Questo non solo le consente di realizzare filtri più piccoli, evita inoltre le difficoltà di fabbricazione associate all'allineamento dei filtri dei pigmenti con i pixel su microscala.
Il professor Stuart-Fox afferma che l'utilità del colore strutturale sta nella sua diversità.
"Le strutture biologiche tendono ad essere complesse, ma usano alcuni elementi costitutivi di base, " lei dice.
"Ora che abbiamo la capacità di produrre strutture e materiali più complessi, abbiamo più capacità di attingere alla biologia come fonte di ispirazione".
