 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 Australia 1.
¿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 estructurales 12.
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. | 
