El material cambia de color desde el azul hasta el rojo. Fuente: OSA.
Tomando prestado un truco de la naturaleza, ingenieros de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) han creado un material increíblemente delgado, camaleónico, al que se puede cambiar de color a voluntad, mediante la simple aplicación de una pequeña cantidad de fuerza.
Este nuevo material-de-muchos-colores ofrece interesantes posibilidades para una nueva clase de tecnologías de visualización, camuflaje por cambio de color, y sensores que pueden detectar defectos de otro modo imperceptibles en edificios, puentes y aviones.
"Esta es la primera vez que alguien ha hecho una piel de tipo camaleónico, que puede cambiar de color simplemente flexionándola", afirma Connie J. Chang-Hasnain, miembro del equipo de Berkeley y coautora de un artículo publicado ayer en Optica, la revista de la Sociedad Óptica estadounidense (OSA).
Grabando patrones diminutos -más pequeños que la longitud de onda de la luz- en una película de silicio mil veces más delgada que un cabello humano, los investigadores fueron capaces de seleccionar la gama de colores que reflejaría el material, en función de cómo se flexionara y doblara.
El color 'estructural'
Los colores que vemos normalmente en pinturas, telas y otras sustancias naturales se producen cuando la luz blanca y de amplio espectro golpea sus superficies. La composición química única de cada superficie absorbe varias bandas, o longitudes de onda de la luz. Las que no son absorbidos se reflejan, con longitudes de onda cortas (colores fríos) o largas (cálidos). Cambiar el color de una superficie, como ocurre en las hojas de los árboles en otoño, requiere un cambio en su composición química.
Últimamente, los ingenieros y científicos han estado explorando otro enfoque, que consistiría en crear colores de diseño sin el uso de tintes químicos y pigmentos. En lugar de controlar la composición química de un material, es posible controlar las características de la superficie a la escala pequeña posible para que interactúe y refleje longitudes de onda de la luz concretas. Este tipo de "color estructural" es mucho menos común en la naturaleza, pero es utilizado por algunas mariposas y escarabajos para exhibir color iridiscente (que varía según el ángulo desde el que se mire).
El control de la luz con estructuras en lugar de con la óptica tradicional no es nuevo. En astronomía, por ejemplo, las rendijas espaciadas uniformemente, conocidas como rejillas de difracción, se utilizan habitualmente para dirigir la luz directa y expandirla en sus colores componentes. Los esfuerzos para controlar el color con esta técnica, sin embargo, han demostrado ser poco prácticos debido a que las pérdidas ópticas son, simplemente, demasiado grandes.
Los autores del artículo de Optica aplicaron un principio similar, aunque con un diseño radicalmente diferente, para lograr el control del color que estaban buscando. En lugar de ranuras cortadas en una película, grabaron rugosidades en una sola capa delgada de silicio. En lugar de difundir la luz en un arco iris completo, estas rugosidades reflejan una longitud de onda muy específica de la luz.
Ajustando los espacios entre las rugosidades, es posible seleccionar el color específico que se refleja. A diferencia de las ranuras de una rejilla de difracción, sin embargo, las barras de silicio eran extremadamente eficientes y reflejaban fácilmente la frecuencia de la luz a la que estaban sintonizados.
Este nuevo material-de-muchos-colores ofrece interesantes posibilidades para una nueva clase de tecnologías de visualización, camuflaje por cambio de color, y sensores que pueden detectar defectos de otro modo imperceptibles en edificios, puentes y aviones.
"Esta es la primera vez que alguien ha hecho una piel de tipo camaleónico, que puede cambiar de color simplemente flexionándola", afirma Connie J. Chang-Hasnain, miembro del equipo de Berkeley y coautora de un artículo publicado ayer en Optica, la revista de la Sociedad Óptica estadounidense (OSA).
Grabando patrones diminutos -más pequeños que la longitud de onda de la luz- en una película de silicio mil veces más delgada que un cabello humano, los investigadores fueron capaces de seleccionar la gama de colores que reflejaría el material, en función de cómo se flexionara y doblara.
El color 'estructural'
Los colores que vemos normalmente en pinturas, telas y otras sustancias naturales se producen cuando la luz blanca y de amplio espectro golpea sus superficies. La composición química única de cada superficie absorbe varias bandas, o longitudes de onda de la luz. Las que no son absorbidos se reflejan, con longitudes de onda cortas (colores fríos) o largas (cálidos). Cambiar el color de una superficie, como ocurre en las hojas de los árboles en otoño, requiere un cambio en su composición química.
Últimamente, los ingenieros y científicos han estado explorando otro enfoque, que consistiría en crear colores de diseño sin el uso de tintes químicos y pigmentos. En lugar de controlar la composición química de un material, es posible controlar las características de la superficie a la escala pequeña posible para que interactúe y refleje longitudes de onda de la luz concretas. Este tipo de "color estructural" es mucho menos común en la naturaleza, pero es utilizado por algunas mariposas y escarabajos para exhibir color iridiscente (que varía según el ángulo desde el que se mire).
El control de la luz con estructuras en lugar de con la óptica tradicional no es nuevo. En astronomía, por ejemplo, las rendijas espaciadas uniformemente, conocidas como rejillas de difracción, se utilizan habitualmente para dirigir la luz directa y expandirla en sus colores componentes. Los esfuerzos para controlar el color con esta técnica, sin embargo, han demostrado ser poco prácticos debido a que las pérdidas ópticas son, simplemente, demasiado grandes.
Los autores del artículo de Optica aplicaron un principio similar, aunque con un diseño radicalmente diferente, para lograr el control del color que estaban buscando. En lugar de ranuras cortadas en una película, grabaron rugosidades en una sola capa delgada de silicio. En lugar de difundir la luz en un arco iris completo, estas rugosidades reflejan una longitud de onda muy específica de la luz.
Ajustando los espacios entre las rugosidades, es posible seleccionar el color específico que se refleja. A diferencia de las ranuras de una rejilla de difracción, sin embargo, las barras de silicio eran extremadamente eficientes y reflejaban fácilmente la frecuencia de la luz a la que estaban sintonizados.
La flexibilidad
Dado que la separación, o período, de las rugosidades es la clave para controlar el color que reflejan, los investigadores se dieron cuenta de que sería posible cambiar sutilmente el período -y por lo tanto el color- flexionando o doblando el material.
"Si usted tiene una superficie con estructuras muy precisas, y espaciadas para que puedan interactuar con una determinada longitud de onda de la luz, puede cambiar sus propiedades y cómo interactúan con la luz cambiando sus dimensiones", explica Chang-Hasnain en la nota de prensa de la OSA.
Los esfuerzos anteriores para desarrollar una superficie flexible que cambiara de color se quedaron cortos en varios frentes. Las superficies metálicas, que son fáciles de grabar, eran ineficientes, pues reflejaban sólo una parte de la luz que recibían Otras superficies eran demasiado gruesas, lo que limita sus aplicaciones, o demasiado rígidas, evitando ser flexionadas con un control suficiente.
Los investigadores de Berkeley fueron capaces de superar estos dos obstáculos mediante la formación de su rejilla de rugosidades usando una capa de semiconductor de silicio de aproximadamente 120 nanómetros de espesor. Su flexibilidad se consiguió mediante la incorporación de las barras de silicio en una capa flexible de silicona. Cuando la silicona se inclinaba o flexionaba, el período de las separaciones de la rejilla respondía en consecuencia.
El material semiconductor también permitió que el equipo creara una piel increíblemente fina, perfectamente plana, y fácil de fabricar con las propiedades superficiales deseadas. Esto produce materiales que reflejan colores precisos y muy puros y que son altamente eficientes, pues reflejan hasta un 83 por ciento de la luz entrante.
El diseño inicial, sometido a un cambio en el período de apenas 25 nanómetros, creaba colores brillantes que podían pasar del verde al amarillo, el naranja y el rojo -a través de una gama de 39 nanómetros de longitud de onda. En diseños futuros, creen los investigadores, podrían cubrir una gama más amplia de colores y reflejar la luz con mayor eficiencia.
Aplicaciones
Para la demostración, los investigadores crearon una capa de un centímetro cuadrado de silicio que cambia de color. Harán falta nuevos desarrollos para crear un material lo suficientemente grande como para aplicaciones comerciales.
"El siguiente paso es hacer esto a escala más grande y hay instalaciones que ya podrían hacerlo", afirma Chang-Hasnain. "Cuando ocurra, esperamos poder encontrar aplicaciones en entretenimiento, seguridad y vigilancia."
Para los consumidores, este material camaleónico podría ser utilizado en una nueva clase de tecnologías de visualización, añadiendo colores brillantes en los lugares de ocio al aire libre. También sería posible crear un camuflaje activo en el exterior de los vehículos que cambiara de color para adaptarse mejor al entorno.
Más aplicaciones del día a día podrían incluir sensores que cambian de color para indicar que la fatiga estructural está afectando a componentes críticos de puentes, edificios o las alas de los aviones.
"Esta es la primera vez que alguien logra una gama tan amplia de color en una superficie flexible, delgada y de una sola capa", concluye, feliz, Chang-Hasnain.
Dado que la separación, o período, de las rugosidades es la clave para controlar el color que reflejan, los investigadores se dieron cuenta de que sería posible cambiar sutilmente el período -y por lo tanto el color- flexionando o doblando el material.
"Si usted tiene una superficie con estructuras muy precisas, y espaciadas para que puedan interactuar con una determinada longitud de onda de la luz, puede cambiar sus propiedades y cómo interactúan con la luz cambiando sus dimensiones", explica Chang-Hasnain en la nota de prensa de la OSA.
Los esfuerzos anteriores para desarrollar una superficie flexible que cambiara de color se quedaron cortos en varios frentes. Las superficies metálicas, que son fáciles de grabar, eran ineficientes, pues reflejaban sólo una parte de la luz que recibían Otras superficies eran demasiado gruesas, lo que limita sus aplicaciones, o demasiado rígidas, evitando ser flexionadas con un control suficiente.
Los investigadores de Berkeley fueron capaces de superar estos dos obstáculos mediante la formación de su rejilla de rugosidades usando una capa de semiconductor de silicio de aproximadamente 120 nanómetros de espesor. Su flexibilidad se consiguió mediante la incorporación de las barras de silicio en una capa flexible de silicona. Cuando la silicona se inclinaba o flexionaba, el período de las separaciones de la rejilla respondía en consecuencia.
El material semiconductor también permitió que el equipo creara una piel increíblemente fina, perfectamente plana, y fácil de fabricar con las propiedades superficiales deseadas. Esto produce materiales que reflejan colores precisos y muy puros y que son altamente eficientes, pues reflejan hasta un 83 por ciento de la luz entrante.
El diseño inicial, sometido a un cambio en el período de apenas 25 nanómetros, creaba colores brillantes que podían pasar del verde al amarillo, el naranja y el rojo -a través de una gama de 39 nanómetros de longitud de onda. En diseños futuros, creen los investigadores, podrían cubrir una gama más amplia de colores y reflejar la luz con mayor eficiencia.
Aplicaciones
Para la demostración, los investigadores crearon una capa de un centímetro cuadrado de silicio que cambia de color. Harán falta nuevos desarrollos para crear un material lo suficientemente grande como para aplicaciones comerciales.
"El siguiente paso es hacer esto a escala más grande y hay instalaciones que ya podrían hacerlo", afirma Chang-Hasnain. "Cuando ocurra, esperamos poder encontrar aplicaciones en entretenimiento, seguridad y vigilancia."
Para los consumidores, este material camaleónico podría ser utilizado en una nueva clase de tecnologías de visualización, añadiendo colores brillantes en los lugares de ocio al aire libre. También sería posible crear un camuflaje activo en el exterior de los vehículos que cambiara de color para adaptarse mejor al entorno.
Más aplicaciones del día a día podrían incluir sensores que cambian de color para indicar que la fatiga estructural está afectando a componentes críticos de puentes, edificios o las alas de los aviones.
"Esta es la primera vez que alguien logra una gama tan amplia de color en una superficie flexible, delgada y de una sola capa", concluye, feliz, Chang-Hasnain.
Referencia bibliográfica:
Li Zhu, Jonas Kapraun, James Ferrara, Connie J. Chang-Hasnain: Flexible photonic metastructures for tunable coloration. Optica (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000255.
Li Zhu, Jonas Kapraun, James Ferrara, Connie J. Chang-Hasnain: Flexible photonic metastructures for tunable coloration. Optica (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000255.