Para o texto abaixo foi utilizado como referência partes do artigo da Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 35, n° 2, 2301 (2013).
Cores estruturais são aquelas geradas como resultado da interferência construtiva da difraçâo em uma grade ou em estruturas com certa ordenação nanométrica.
A cor estrutural difere da cor química (encontrada na maioria dos seres vivos) pela ausência de pigmentos, sendo resultado apenas de efeitos óticos superficiais. Um bom exemplo deste fenômeno são as asas das borboletas que são objetos de investigação há longo tempo como se pode observar no texto abaixo.
O fascínio pelas cores das asas das borboletas remonta à antiguidade.
Os gregos foram os primeiros a registrarem essa admiração e debruçam-se nesse assunto já no quarto ou quinto século antes de Cristo, descrevendo as asas das borboletas como uma estrutura constituída de complexas redes de minúsculas escamas sobrepostas. Dai o nome cientifico desses insetos como
“lepidópteras“, fusão de “lepis” (escama) com “pteron” (asa) .
As lepidópteras constituem em uma grande diversidade de grupos taxonômicos com cerca de 180.000 espécies classificadas em 127 famílias.
As lepidópteras (ai incluídas as mariposas) representam cerca de 15% de todos os insetos conhecidos e, segundo dados da Embrapa, no Brasil em torno de 3.500 espécies de borboletas já foram catalogadas, sendo que destas 57 encontram-se em processo de extinção.
Os padrões e cores presentes nas asas de uma borboleta não constituem apenas de alterações para um mimetismo defensivo ou simples camuflagem.
Estudos têm identificado funçôes complexas de comunicações nessas configuraçôes, que alteram, muitas vezes sutilmente, para sinalizar a presença de predadores ou o reconhecimento de espécies e a atração para o acasalamento, ou para indicarem a simples presença de alimentos em determinados locais
As asas das borboletas são os melhores exemplos de geração de cores estruturais e com o advento da microscopia, o detalhamento dessas estruturas permitiu elevar o conhecimento do fenômeno assim como com o recentemente avanço da nanotecnologia, as primeiras reproduções artificiais dessas estruturas foram obtidas com potenciais aplicações em diversos campos.
A cor estrutural é, em princípio, um efeito puramente físico e presente em diversos organismos na natureza.
Há certa controvérsia sobre as primeiras descrições da ótica desse fenômeno.
Alguns autores atribuem a Robert Hooke, físico e matemático britânico, com base em sua publicação de 1665 na qual descreve as alterações de colorações em penas de aves .pavão
Outros atribuem a Newton o primeiro registro documental das cores estruturais .
O que se sabe ao certo é que ambos trocaram correspondência sobre os princípios do fenômeno o qual foi inicialmente designado como "cor superficial".
A terminologia "cor estrutural", hoje adotada, foi cunhada por Lord Rayleigh em 1919.
Vale dizer que a cor estrutural difere da cor química, pois esta é proveniente de pigmentos que são compostos que absorvem através de suas ligações químicas, parte do espectro da luz visível incidente, refletindo a fração não absorvida ou frequências geradas a partir da excitação de elétrons nos orbitais superiores em um intervalo de comprimentos de onda que caracteriza a cor visualizada.
Em animais, e ai incluem os serem humanos, os pigmentos que caracterizam a cor da pele são denominadas melaninas. As melaninas também são estruturadas em base fenólicas e se polimerizam em pequenos grânulos não superiores a 0,7 _m uniformemente distribuídos sobre a cútis.
Seres com deficiência de pigmentação são chamados albinos.
Difração de grade ou grating equation
O desenvolvimento teórico do princípio de difração por grade foi desenvolvido em 1913, confirmando os dados obtidos experimentalmente o que levou Bragg a receber o Nobel de Física em 1915.
Veja a Lei Bragg aprenda a usa-lá com a applet do site da www.if.ufrgs.br/tex/fis01101/home.html e veja aula no www.youtube.com/watch?v=nLKUPwqoFas
equação (5)
A Eq. (5) é conhecida em inglês como grating equation, algo como "equação de grade" ou de "rede" em analogia a uma grade de difração e estabelece a condição de espalhamento de uma radiação incidente conforme teorizado por William L. Bragg para planos de refração espaçados a uma distância regular (d) entre si e próxima ao comprimento da onda incidente.
A importância da equação de Bragg é que esta relaciona o espaçamento entre os pontos da rede, em nosso caso as lamelas, com os ângulos de difração (_i) e a comprimento de luz refratada (λ).
Olhando esta situação como uma radiação policromática incidente (luz branca, por exemplo), temos a condição da Fig. 8, na qual o observador enxerga tons ou matizes diferentes para diferentes ãngulos.
Esse fenômeno é facilmente observável ao inclinarmos um CD de
policarbonato em diversos ângulos com relação ao observador, que se comporta como uma rede de difração, refletindo diferentes comprimentos de onda em diferentes direções decorrentes das difrações que se dão nas minúsculas trilhas de gravação presentes na superficie do disco.
Figura 8
4. Aplicações nanotecnológicas bio-inspiradas
Os melhores exemplos de aplicação prática dos conceitos de cor estrutural na confecção de dispositivos são os empregados na preparação de cristais fotônicos.
Os cristais fotônicos são estruturas tridimensionais Periódicas, normalmente de materiais cerâmicos, dispostos de forma a configurar uma malha
nanométrica com cavidades definidas a semelhança de uma colméia .
sobre os fótons incidentes, confinando ou limitando a propagação da luz em seus diversos meios.
Na natureza as opalas apresentam estas configurações.
Opalas
Esse arranjo estrutural permite assim, ao variar as distancias ou propriedades de cada meio, controlar e manipular do fluxo de luz possibilitando a confecção de guias óticos, ideais para a fabricação de fibras
ou microchips capazes de transmitir grandes capacidades de dados .
A aplicação desses cristais na confecção de lentes, membranas ou tintas que alteram a coloração já foram propostos.
A indústria japonesa foi, contudo, a primeira a utilizar os conceitos da cor estrutural e produzir nanoestruturas escalonadas baseadas nas asas das borboletas.
Por técnicas de evaporação e deposição, camadas de SiO2 (dióxido de silício) foram crescidas em trilhas com espaçamentos variados, gerando efeitos diversos sob a incidência de luz .
Embora as justificativas para essas réplicas tenham sido inicialmente descritas como recursos para estudos óticos, configurações similares levaria a confecção de estruturas totalmente absorvedoras ou geradoras de reflexões incoerentes. Estas são as bases das chamadas superfícies "invisíveis".
O uso militar dessa tecnologia é evidente, principalmente para o desenvolvimento das tintas que tornariam superfícies não detectadas por radares.
O efeito de "aprisionamento" de radiação já foi testado com o objetivo foi elevar a eficiência de células solares. Para tanto lamelas de TiO2 (dióxido de titânio) crescidas por deposição coloidal, seguindo padrões geométricos observados na
Papilio paris
espécie Papilio paris indicaram, que a reprodução de uma estrutura invertida das asas dessa borboleta eleva a incidência de radiação na base vítrea coletora.
A geração de cor intensa, como o verde, foi recentemente conseguida pela universidade de Cambridge na Inglaterra ao reproduzir em laboratório a
Papilo blumei
estrutura encontrada nas asas da borboleta do tipo Papilo blumei.
Esta nanoestrutura foi conseguida pela formação de lamelas por deposição alternada de nanopartículas de titãnio e alumino sob uma superfície polimérica.
O resultado foi um efeito visual semelhante ao verde típico da Papilo blumei e foi indicada pelos autores como tecnologia ideal para a estampagem de células de dinheiro ou ingressos, as quais seriam quase impossíveis de falsificação.
A indústria têxtil japonesa Teijin Fiber Ltd, já tem em sua linha de produção tecidos a base de fibras de poliéster, de espessuras de 700 nm, regularmente espaçadas e trançadas.
A disposição das fibras foi inspirada na asa da borboleta Blue Moprho e
recebeu o nome comercial de Nanofront c .
Esta malha apresenta coloração viva intensa e é indicada, segundo o fabricante para efeitos de sinalização.
Seriam ideais para a confecção de jaquetas ou uniformes de alta visibilidade, assim como revestimento de capacetes de motociclista com alta refletividade de luz incidente.
Esses, sem dúvida, são apenas alguns exemplos das possibilidades que a reprodução da cor estrutural permite.
Com o avanço das técnicas de manipulação em nanoescala inúmeras outras aplicações certamente serão vislumbradas.
