Imitando la nanotecnología de la naturaleza: del Ala de una mariposa a las tecnologías para la prevención de la falsificación

Blog Original en inglés por Merve Dogangun 
Traducido por María Fernanda Cardinal
Editado por Gustavo A. Dominguez

¿Alguna vez te has preguntado de dónde viene la inspiración detrás de las nuevas tecnologías? No es necesario indagar demasiado para encontrar la respuesta, ¡Solamente basta con mirar por la ventana!

Mira profundamente en la naturaleza, y entonces comprenderás todo mucho mejor.
-Albert Einstein

Así es, la naturaleza está allí afuera, como un laboratorio gigante de ciencia e ingeniería1. Durante siglos hemos intentado comprender las estrategias de la naturaleza y aplicar lo que aprendemos de ella para resolver nuestros problemas modernos. En el blog anterior, “Nanotecnología y biomimetismo en la naturaleza hacen de los superpoderes de tus sueños una realidad”, fueron analizadas las diversas soluciones para los problemas cotidianos que se inspiraron en la naturaleza. ¡Es realmente fascinante darse cuenta que los científicos se han inspirado por la piel del tiburón, las hojas de la flor o las alas de una mariposa! En este blog, indagaremos más a profundidad la ciencia detrás de una de estas ideas. Vamos a explorar la ciencia detrás de los llamativos colores que se ven en las alas de una mariposa y cómo el imitarlos nos ha ayudado a desarrollar tecnologías para la prevención de la falsificación.

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Una mariposa azul morfo.    Fuente de la imagen

Una de las mariposas más grandes del mundo, la mariposa azul morfo eclipsa a las demás con su color azul intenso. Contrariamente a la creencia popular, los pigmentos no es lo que le da el color brillante a sus alas. En realidad, las alas consisten en miles de estructuras transparentes. ¿De dónde provienen los colores?, si el material de las alas es transparente.

Es posible que tengas una idea acerca de la respuesta si alguna vez hiciste burbujas de jabón cuando fuiste niño2. ¿Recuerdas cómo las burbujas cambian de color cuando la luz las ilumina? Este efecto se debe a que las ondas de luz interactúan entre sí. La superficie de una burbuja de jabón es una delgada película que hace rebotar la luz cuando es emitida en ella hacia tus ojos, esto hace que las ondas de la luz que se reflejan en las superficies internas y externas de esta delgada película interfieran entre sí. Cuando las dos ondas de luz se encuentran entre si se produce una interferencia, y ésta puede ser constructiva o destructiva. Si las dos ondas se encuentran en total sincronización, quedando exactamente superpuestas. Las intensidades o amplitudes se suman dando una onda más grande. Esto es llamado interferencia constructiva. Por otro lado cuando una cresta coincide con un valle, las ondas se anulan entre sí causando lo que es llamado interferencia destructiva. La interferencia constructiva crea colores más intensos, mientras que la interferencia destructiva resulta en colores más débiles o en la falta de colores.

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Interferencia de ondas de luz.

Ya que una onda debe viajar a una distancia mayor pasando hacia la superficie interna de la película de jabón comparada con la otra que se refleja en la superficie externa, las ondas se encontrarán ligeramente fuera de fase o sincronía. El patrón de interferencia dependerá de la distancia adicional que viaja la luz en la película antes de reflejarse (en otras palabras, del espesor de la película de jabón). ¡Lo que vemos como resultado son diferentes colores bajo la luz del sol! Este efecto se llama iridiscencia.

Burbujas de jabón. imagen por Fir0002 / Flagstaffotos

Ten en cuenta que el espesor de la película, el ángulo en que la onda de luz llega a la superficie y el ángulo de visión influyen en el efecto arco iris. Haz clic aquí para saber más sobre por qué las burbujas son coloridas.

Al igual que las coloridas burbujas de jabón, las alas de la mariposa morfo aparecen de color azul brillante debido a la interferencia constructiva de las ondas de luz. Sus alas consisten en muchas capas de nano-estructuras con aire intercalado entre ellas, parecido al diseño de las escamas de pescado3. Cuando la luz incide en estas capas equidistantes, los numerosos reflejos crean patrones de interferencia constructiva que hacen que nuestros ojos distingan colores muy intensos. Las diminutas estructuras también contribuyen a la selección de los colores que reflejan únicamente ciertas longitudes de onda. Dependiendo de la forma, el tamaño, el ángulo y el espacio entre las nano-estructuras ciertos colores se cancelan o refuerzan selectivamente, dando los colores azul / marrón a las alas.

Estructuras diminutas en el ala de una mariposa. Fuente de la imagen

La mariposa azul morfo, utiliza este juego de luz con las diminutas estructuras en sus alas y ha inspirado una nueva tecnología de seguridad creada por los científicos de la Universidad Simon Fraser. NanoTech Security Corporation inspirada en las propiedades de difracción de luz de las alas de mariposa, construyó materiales con agujeros de dimensiones nanométricas para lograr el mismo efecto. Este llamado “efecto mariposa” tiene como objetivo luchar contra la falsificación de billetes, documentos de identidad, pasaportes y muchos otros productos de consumo. En este caso, en lugar de que el color derive de su propio material, el mismo depende de la forma en que la luz se refleja en una serie de nano agujeros. Cuando la luz incide sobre esta serie de agujeros, el patrón de interferencia de las ondas de luz resulta en una imagen única. Lo que es más emocionante, es que los colores de las imágenes se pueden ajustar tan sólo con la geometría y el número de estos agujeros. La plantilla para la serie de agujeros se la realiza usando una técnica llamada litografía por haz de electrones, que también es utilizada para los chips de las computadoras. Esta técnica es capaz de crear estructuras superficiales muy pequeñas, y también es adecuada para insertar estas plantillas en diferentes superficies tales como vidrio, plástico, metales o papel, cambiando el color de lo que vemos sin necesidad de añadir tinturas o recubrimientos al material.

La creación de imágenes visuales con colores enriquecidos sin utilizar colorantes ni químicos dificulta mucho la falsificación de billetes porque sería mucho más difícil falsificar las características en la escala nanométrica que en la escala micrométrica que es utilizada actualmente en la mayoría de los billetes. El uso de esta tecnología también es atractiva en la industria farmacéutica. Imagínate que una serie de agujeros en escala nanométrica con la geometría requerida sea insertado en pastillas o píldoras – ¡las imágenes resultantes permitirían identificar directamente si la pastilla es genuina o no!

La naturaleza está llena de soluciones para muchos de los desafíos que enfrentamos en nuestro diario convivir. La imitación no puede ser la forma más sincera de adulación hacia la naturaleza, pero el biomimetismo permite una amplia variedad de oportunidades para el avance de nuevas tecnologías.


¿QUIERES MÁS INFORMACIÓN?

Aquí está una charla TEDx sobre esta tecnología por Clint Landrock de NanoTech Security Corp.

Para leer el blog original en ingles, presione aquí.

REFERENCIAS

1. Bar-Cohen, Y. Nature as a Model for Mimicking and Inspiration of New Technologies . Int’l J. Aeronautical & Space Sci. 2012 , 13 ( 1 ): 1-13.  DOI: 10.5139 / IJASS.2012.13.1.1  or  PDF

2.  http://animals.howstuffworks.com/insects/butterfly-colors.htm

3. Yoshioka, S .; Kinoshita, S. Wavelength-selective and anisotropic light-diffusing scale on the wing of the Morpho butterfly. Proceedings: Biol Sci. . 2004 , 271 (1539): 581-587. DOI: 10.1098 / rspb.2003.2618 or PDF

2 comentarios sobre “Imitando la nanotecnología de la naturaleza: del Ala de una mariposa a las tecnologías para la prevención de la falsificación

  1. Excelente el blog pues me fascina la naturaleza y veo que la explicación de este tema es repito excelente y felicito a Ma Fernanda y a mi querido exalumno Gustavo,aunque lamento no poder utilizar estas informaciones de actualidad con mis alumnos porque ya me jubilé pero me gustaría seguir recibiendolos para estar estar actualizada de los avances tecnológicos.

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