Colores y Patrones: Dios autor de la belleza que admiramos - TeoCiencia

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Tipo de Archivo: PDF| Idioma: Spanish | Categoría: Capacitación Ministerial

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Colores y Patrones

En ocasiones observamos en la naturaleza colores que son particularmente deslumbrantes, y que proporcionan a los diseñadores humanos ideas ingeniosas para mejorar los colores artificiales. Algunos de los colores más brillantes no se producen mediante pigmentación, sino que son colores estructurales, es decir, derivados de la estructura del material. Ciertos colores son producidos por sólidos fotónicos que manipulan la luz gracias a la sofisticada estructura del material. Estos mecanismos fotónicos consiguen también producir tonos intensamente blancos y tonos negros muy  oscuros. Los patrones de la naturaleza también están relacionados con diseños basado en conceptos matemáticos complejos. Azul Iridiscente Resumen: Los tonos azules iridiscentes en las mariposas y en las aves son un tipo de color estructural. No son causados por ningún pigmento especial sino por una rejilla de difracción natural. Los diseñadores humanos han imitado este diseño consiguiendo así colores más brillantes y más profundos sin necesidad de productos químicos. Mariposas vestidas de azul morfo. Algunas mariposas poseen alas coloreadas de un exquisito tono azul iridiscente, como el azul morfo (Morpho Menelao) en América del Sur y el macho de la mariposa de montaña azul (Papilio Ulysses) en el norte de Australia1. ¿Cómo se consigue este color azul tan sorprendente? Se sabía desde hace tiempo que este tono azul no era consecuencia de ningún pigmento, sino el resultado de algún tipo de efecto óptico. En 2001, Pete Vukusic de la Universidad de Exeter (Reino Unido) descubrió que el azul de las mariposas se produce mediante interferencia óptica2. Las escamas que cubren las alas tienen múltiples capas que reflejan las ondas de luz de forma que éstas recorren longitudes distintas. Con algunas longitudes de onda, la luz reflejada desde la superficie superior e inferior tendrá un recorrido de un número entero de longitudes de onda, por lo que las crestas se alinean con otras crestas. Este fenómeno se denomina interferencia constructiva, y hace que el color (azul en el caso de esta mariposa) sea mucho más brillante y más puro. Para producir un color determinado, el espesor de la capa debe tener una precisión de aproximadamente el 0,05 micras. El efecto opuesto se denomina interferencia destructiva, en este caso las crestas de la onda se alinean con los valles, produciéndose su cancelación mutua. Los científicos aprenden de la "naturaleza" "Empezamos el estudio de las alas de la mariposa con microscopios electrónicos y descubrimos que su estructura es muy compleja y muy difícil de fabricar. Adoptamos por tanto una nueva estrategia usando microrejillas dispuestas en ángulos aleatorios como un medio para lograr el color con un ángulo de visión más amplio3. Así que construyeron una rejilla compuesta por pequeñas celdas exagonales (parecida a un panal de abejas), de forma que cada celda contenía un enrejado de difracción con sus hojas orientadas a una dirección distinta. Utilizaron una técnica llamada litografía de rayos de electrones (en inglés, EBL: Electron Beam lithography). El resultado fue una estructura que parecía azul al ser vista desde un abanico de visión de entre 16-90 grados4. En el futuro, estas nuevas técnicas podrían utilizarse en dispositivos de visualización y también para eliminar las pinturas en el revestimiento de superficies, consiguiendo así mejores colores. De este modo se evitarían los problemas que conllevan los residuos químicos derivados de la producción de pigmentos y colorantes5 . Periquitos Azules La interferencia óptica también es la responsable del color azul brillante de algunas plumas del periquito. Pero en este caso el procedimiento se basa en la estructura esponjosa de la queratina que es la proteína de la cual están hechas las plumas (y la piel y las uñas)6. Asimismo los deslumbrantes colores de la cola de pavo real son el resultado de la interferencia óptica. NEGRO PROFUNDO Sumario: La negritud es el resultado de la absorción de toda la luz visible. Los pigmentos negros que nosotros fabricamos son imperfectos puesto que reflejan una buena cantidad de luz. Sin embargo, algunas mariposas pueden producir tonos negros más profundos gracias a sus estructuras geométricas que atrapan la luz impidiendo que sus rayos se reflejen. Esto ha sido, una vez más, una fuente de inspiración para los diseñadores humanos. Los pigmentos negros producen su color negro al absorber todas las frecuencias de luz visible. Sin embargo, esta absorción no es perfecta porque parte de la luz se refleja. Un ejemplo claro es la Luna; vista desde la Tierra aparece de color blanco plateado brillante, sin embargo su superficie en gran medida está compuesta de roca basáltica negra. Un conocido experimento sirve para demostrar la imperfección de las pinturas negras. Se toma una caja de zapatos de cartón cerrada y se pinta del color más negro posible. A continuación, se hace un pequeño agujero (de 1-2 milímetros) en la caja. Este agujero debe aparecer mucho más negro que la pintura más negra. Esto es así porque la pintura deja escapar algo de luz, sin embargo la luz que entra en el agujero casi nunca se escapa. De hecho, ésa es la razón por la cual la pupila del ojo es tan negra, es un agujero que deja entrar la luz, pero no la deja salir. Vukusic ha demostrado que el contorno negro de la superficie azul se consigue mediante un diseño óptico que captura la luz7. Esta negrura especial alcanza una intensidad que es casi el doble de la que podría conseguirse usando solamente pigmentos consiguiendo que el color azul brillante destaque aún más. Las escamas presentan diminutas hendiduras de aproximadamente una micra de anchura, las cuales forman una rejilla similar a un panal de abejas8. Estas escamas poseen un alto índice de refracción, por lo que se aprovechan de una reflexión interna total. Es decir, la luz entra en el entramado y al chocar con una superficie, en lugar de cruzar esta superficie, la luz es reflejada sobre el mismo material (la fibra óptica funciona de la misma forma, incluso las fibras ópticas naturales observadas en la esponja denominada Cesta de Flor de Venus). Estas alas presentan una apariencia muy negra porque apenas ninguna luz puede escapar de ellas. Eliminación del efecto de refracción El éxito de Vukusic al descubrir el diseño que atrapa la luz de la superficie azul se debió a que él quería saber qué ocurriría si se pudiera de alguna forma eliminar el efecto de refracción. Pero, ¿cómo puede eliminarse ese efecto? La refracción de la luz (es decir su cambio de dirección) y la reflexión pueden ocurrir en las superficies que delimitan distintas substancias en las que la velocidad de la luz sea distinta, por ejemplo, la luz viaja más lentamente a través de agua que a través del aire, por lo que el índice de refracción del agua es mayor9. Por eso, cuando sumergimos una varilla recta en una piscina vemos que se dobla en el punto de contacto con la superficie del agua. Si las substancias diferentes tienen el mismo índice, entonces la luz no cambia de dirección, es decir la reflexión o la refracción son mínimas. Podemos demostrar esto con un panel de cristal esmerilado. Un cristal esmerilado es aquel que ha sido tratado con esmeril para obtener deliberadamente una superficie rugosa de manera que la luz se dispersa en todas direcciones en la frontera entre el vidrio y el aire, haciendo imposible una imagen clara. Pero si se elimina esta dispersión es posible percibir una imagen. Esto se puede conseguir aplicando un líquido viscoso que posea el mismo índice de refracción que el vidrio cuya superficie está esmerilada, por ejemplo, jarabe de melaza, y cubriéndolo con un cristal liso. Así es posible ver una imagen nítida a través de él pues ya no existe apenas reflexión o refracción de la superficie del vidrio esmerilado en el líquido. Vukusic aplicó este mismo principio a la mariposa. Sumergió las alas de la mariposa en bromoformo (CHBr3) el cual posee aproximadamente el mismo índice de refracción que el tejido del ala. Como resultado, las alas sólo podrían absorber algo más del 50% de la luz, mientras que en el aire absorben más del 90%. Más Biomimética El ingeniero químico Richard Brown, del Laboratorio Nacional de Física de Gran Bretaña en Teddington cerca de Londres, ha utilizado este principio para conseguir un tono 'Súper Negro'. Éste consiste en un recubrimiento de aleación de níquel-fósforo que incluye muescas que contribuyen a acentuar la refracción de la luz. Este recubrimiento absorbe el 99,7% de la luz. Este es otro ejemplo de cómo el diseño en la naturaleza ha inspirado a los ingenieros humanos. Vukusic dice: "La biomimética está creciendo en popularidad.Siempre que podamos debemos tomar las indicaciones que nos marca la naturaleza." Escarabajos Iridiscentes Algunos escarabajos tienen colores brillantes iridiscentes. Un tipo de escarabajo, el Virens Gymnopleurus del sur de África, puede ser de color rojo con verde iridiscente en los bordes, o verde con bordes azules. Sus superficies tienen la extraña propiedad de reflejar sólo la luz levógira (polarización circular levógira). Esta propiedad es el resultado de la estructura de su superficie. Esta estructura está formada por varias capas de fibras microscópicas paralelas, que seleccionan la luz polarizada en su dirección. Pero cada capa tiene las fibras giradas ligeramente respecto a la capa del nivel superior, de modo que las diferentes capas crean una escalera de caracol. Esto refleja la luz con la polarización girando en una dirección. Un equipo de investigación de Sudáfrica y Nueva Zelanda descubrió que los colores brillantes se deben a "defectos" (variaciones) estructurales específicos en las capas10. El microscopio electrónico reveló que hay un punto en el cual la capa de separación cambia súbitamente un 10%,lo cual aumenta la banda reflectante en un factor de cuatro. El director del equipo, Johan Brink, dijo: Las posibles aplicaciones de este tipo de "ingeniería defectuosa" podría ser reflectores de banda ancha para los semiconductores láser, detectores de tensión de banda estrecha que a veces se usan en la espectroscopia para identificar y clasificar los materiales y minerales11. La Cola del Pavo Real La cola del pavo real macho es una de las más espectaculares de todas las aves. Su abanico es el resultado de la combinación de muchas características diferentes. ABANICO El abanico del pavo presenta colores brillantes, "ojos" distribuidos de forma uniforme, y "plumas T" en su borde exterior. Se despliega en un ángulo de 180º y por lo tanto todos los ejes de las plumas convergen en un centro geométrico común. El abanico se abre gracias a los músculos de la cola, los cuales también hacen que el abanico vibre con un zumbido muy peculiar. Colores Los colores brillantes de la cola del pavo real son estructurales, como se ha sabido desde hace décadas13; la interferencia que se produce en su delgada película está causada por la estructura de las bárbulas de plumas. La anchura de cada bárbula es de 60 micras y su espesor de 5 micras, las bárbulas poseen un núcleo de espuma de 2 micras de espesor, cubierto con tres capas finas de queratina a cada lado. Estas capas son de 0,4-0,5 micras de espesor, que es exactamente el espesor requerido para causar interferencia cuando la luz se refleja en ellas. Los diferentes colores se producen debido a los diferentes ángulos de incidencia (véase el diagrama), este ángulo se consigue gracias a la ligera curvatura de las plumas.  Las plumas también contienen melanina, por lo que su color no estructural es marrón oscuro, esto impide que la luz se refleje desde la parte posterior. Plumas en forma de ojos. Estas plumas poseen una serie de características únicas: 12, 14 • Colores brillantes. • Un complejo dibujo simulando un ojo. • Lengüetas sueltas por debajo del patrón del     ojo. • Ausencia de tallo en la mitad superior del    dibujo del ojo. • Estrecho tallo en la mitad inferior del ojo. • Recubrimiento marrón del tallo cerca del ojo. Estos patrones son el resultado de la combinación de distintas curvas matemáticas. El modelo resultante no es el resultado por un único patrón simple de crecimiento matemático, como las espirales de las semillas de girasol o la concha de Nautilo. Es más bien un patrón digital que recombina los efectos de miles de bárbulas individuales, perfectamente coordinadas entre sí. Dado que los diferentes colores se deben a diferentes espesores de queratina, y los bordes son nítidos, es necesario que las bárbulas de las plumas estén programadas para aumentar y disminuir bruscamente su espesor en un momento preciso en su crecimiento. Aureola de plumas en forma de T Estas plumas coronan el abanico de forma hermosa, a causa de su "curva conopial" única a cada lado de la pluma. Esta curva es a la vez cóncava y convexa, y complementa las plumas ojo perfectamente. Los arquitectos utilizan curvas conopiales en estructuras tales como arcos.  Para formar la curva del arco conopial, es necesario que exista una programación genética que coordine su longitud y su curvatura. Belleza La cola del pavo real es tan complicada que un experto evolucionista se mostró desconcertado al cuestionarse cómo podría incluso mantenerse, por no hablar de cómo pudo haber evolucionado originalmente: Lo único que podemos hacer al observar la teoría de que las delgadas películas son la causa de la iridiscencia y comprobar que todos los hechos observados la apoyan, es maravillarnos ante la perfección de los métodos empleados por la naturaleza en la producción de estos colores con esta increíble uniformidad a lo largo de generaciones sucesivas, especialmente al considerar que una ligera variación general del espesor de las películas de las plumas de un pájaro, como un pavo real, sería suficiente para alterar su coloración completamente15. ¿Selección sexual? De hecho, toda la estructura de la cola parece tan incómoda que sería un obstáculo más que una ayuda en la supervivencia, la selección natural tendería a eliminarla. Entonces, ¿cómo han intentado los evolucionistas superar esa dificultad? La explicación dada habitualmente es "selección sexual"16.Según esta teoría los genes correspondientes a una determinada estructura biológica se transmiten preferentemente porque resultan atractivos a los individuos del sexo opuesto durante la elección de pareja. Pero esto no explica el origen de las mutaciones coordinadas con precisión que son imprescindibles para formar la cola, ni tampoco por qué motivo las hembras iban a seleccionar al macho en base a su belleza ni qué criterios de belleza utilizarían. Por lo tanto, es comprensible que incluso algunos evolucionistas ahora hablen de los problemas fatales acumulados por la teoría de la selección sexual, en referencia a los estudios que muestran que "está equivocada" y por tanto "necesita ser reemplazada".15, 16 De hecho, nuevas investigaciones empíricas han puesto en tela de juicio esta teoría porque han mostrado que las hembras no se sienten atraídas por el abanico de pavo real, sino más bien por las llamadas al apareamiento. Los investigadores resumen así sus siete años de estudio: No hemos encontrado evidencias de que las hembras expresaran preferencia alguna por pavos reales con colas más elaboradas (es decir abanicos que tengan más ocelos, o una disposición más simétrica o una mayor longitud), esto coincide con otros estudios de especies galliformes que muestran que las hembras no tienen en consideración el plumaje del macho. En combinación con los resultados anteriores, nuestros resultados indican que la cola del pavo real (1) no es el objetivo universal de selección de la hembra (2) muestran variaciones mínimas entre los machos de distintas poblaciones y (3) en base al conocimiento fisiológico actual, no parece que sea un reflejo fiable de la condición del macho 17. Uno de los informes emanados de esta investigación destaca: "El abanico de plumas del pavo real macho es uno de los atributos físicos más impresionantes y hermosos de la naturaleza pero, según una reciente investigación no sirve para excitar, ni mucho menos para atraer, a las hembras. Esta conclusión supone un duro golpe a la antigua creencia de que las plumas de pavo real macho evolucionaron como consecuencia de los gustos de la hembra. Esto también podría ser una indicación de que ciertos detalles de otras características presentes en las aves galliformes (un grupo que incluye a los pavos, gallinas, gallos, codornices y faisanes, así como pavos reales) no están necesariamente vinculados a la idoneidad y el éxito en el apareamiento 18. El propósito de los investigadores no era negar la teoría de la selección sexual, todo lo contrario, de hecho, su intención era confirmarla. Así que la "teoría de la selección sexual" de Charles Darwin no explica la selección19. Arquitectura y estética Merece la pena tener en cuenta que en muchas ocasiones los arquitectos humanos diseñan objetos con características que no persiguen una función estructural, sino simplemente estética. Por ejemplo, una columna cilíndrica simple sería suficiente, para sostener un tejado, sin embargo en el orden arquitectónico corintio la columnata está acanalada y coronada por un capitel adornado con hojas de acanto y caulículos. Así pues la belleza de la cola del pavo real es coherente con un diseñador inteligente, alguien para quien son importantes ambos aspectos; los estéticos y los estructurales12. Referencias y notas: [1] Cardno, S. y Wieland, C., D. Mariposas, Creación 19 (2) :44-46, de 1997. [2] Vukusic, P., et al., Sculpted-multilayer optical effects in two species of Papilio butterfly, Applied Optics 40 (7) :1116-1125, 2001. [3] Graydon, O., Blue microstructures mimic nature, Optics.org, 2003. [4] Wong, T.-H., et al., Color generation in butterfly wings and fabrication of such structures, Optics Letters 28(23):2342–2344, 2003. [5] Lerner, E.J., Butterfly blues, The Industrial Physicist, Briefs, April 2004. [6] Prum R.O., et al., Coherent Light Scattering by Blue Feather Barbs, Nature 396(6706):28–29, 1998; Two-dimensional Fourier Analyses of the Spongy Medullary Keratin of Structurally Coloured Feather Barbs, Proc. R. Soc. London B 266:13–22, 1999. [7] Butterflies plumb the depths of blackness with a trick of the light, New Scientist 181(2433):18, 2004. [8] Hopkin, M., Butterflies boast ultrablack wings: Insects use optical trick to get the blackest black out of dark pigments, Nature science update, 2004, . [9] El índice de refracción (n) de una substancia viene dado por n = c/v, donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de la luz en la substancia. [10] Brink, D.J., et al., Unusual coloration in scarabaeid beetles, J. Phys D: Appl. Phys. 40: 2189–2196, 2007. [11] Zyga, L., Beetles’ bright colors may influence new light technology, Physorg.com, , 2007. [12] Después de Burgess, S., La belleza de la cola de pavo real y los problemas con la teoría de la selección sexual, J. Creación 15 (2) :94-102, de 2001; .Stuart Burgess es Profesor de Diseño y de la naturaleza, Jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Bristol (Reino Unido), y un experto mundial en biomimética. NB: En el Reino Unido y algunos países de la Commonwealth británica 'Profesor' es un título del más alto rango académico. [13] Mason, C.W., Structural colours in feathers II, J. Physical Chem. 27:440, 1923. [14] Bergman, J., Problems in sexual selection theory and neo-Darwinism, J. Creation 18(1): 112–119, 2004. [15] Roughgarden, J., Oishi, M. and Akcay, E., Reproductive social behavior: cooperative games to replace sexual selection, Science 311(5763):965–969, 2006. [16] Catchpoole, D., Peacock poppycock? Creation 29(2):56, 2007; . [17] Takahashi, M. et al., Peahens do not prefer peacocks with more elaborate trains, Anim. Behav. 2007, doi:10.1016/j.anbehav. 2007.10.004. [18] Viegas, J., Female Peacocks Not Impressed by Male Feathers, Discovery News, March 26, 2008; . [19] Catchpoole, D., Peacock tail tale failure, , 2008.

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