Producción de color en materiales microestructurados naturales y artificiales



Yüklə 5,81 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə1/8
tarix18.08.2017
ölçüsü5,81 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8

Producción de color en materiales
microestructurados naturales y artificiales
Luna, Ana Eugenia
2014 08 06
Tesis Doctoral
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires
www.digital.bl.fcen.uba.ar
Contacto: digital@bl.fcen.uba.ar
Este documento forma parte de la colección de tesis doctorales y de maestría de la Biblioteca
Central Dr. Luis Federico Leloir. Su utilización debe ser acompañada por la cita bibliográfica con
reconocimiento de la fuente. 
This document is part of the doctoral theses collection of the Central Library Dr. Luis Federico Leloir.
It should be used accompanied by the corresponding citation acknowledging the source. 
Fuente / source: 
Biblioteca Digital de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales - Universidad de Buenos Aires

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de F´ısica
Producci´
on de color en materiales
microestructurados naturales y artificiales
Trabajo de Tesis para optar por el t´ıtulo de
Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el ´area de Ciencias F´ısicas
por
Ana Eugenia Luna
Directora de Tesis: Dra. Diana C. Skigin
Consejero de Estudios: Dr. Pablo I. Tamborenea
Lugar de Trabajo: Grupo de Electromagnetismo Aplicado
Buenos Aires, Mayo 2014

Resumen
Las estructuras fot´onicas naturales exhiben notables efectos de color como el aspecto
met´alico y la iridiscencia. En este trabajo se investigan algunas de las microestructuras
de este tipo que se han identificado en cole´opteros, espec´ıficamente en los escarabajos de
la especie Ceroglossus suturalis, que exhiben una coloraci´on iridiscente y son end´emicos
del extremo sur de Am´erica del Sur y del sur de Chile. Este fen´omeno de iridiscencia se
produce por reflexiones m´
ultiples de la luz dentro de la epicut´ıcula del ´elitro (ala delantera
modificada por endurecimiento que encierra a las alas posteriores utilizadas en el vuelo),
que es un sistema de multicapas alternadas de materiales de diferente densidad ´optica.
Por medio del empleo de t´ecnicas de microscop´ıa electr´onica de barrido (SEM) y de trans-
misi´on (TEM), y a trav´es del procesamiento de las im´agenes y micrograf´ıas, se obtuvieron
los par´ametros geom´etricos m´as relevantes de las microestructuras responsables del color
estructural en estos escarabajos, tales como el n´
umero de capas y sus espesores. Utilizan-
do un espectrofot´ometro acoplado a fibra ´optica se midieron los espectros de reflectancia
y se obtuvieron los diagramas de cromaticidad para diferentes muestras, y bajo distin-
tas condiciones de iluminaci´on. Una vez confirmado el mecanismo f´ısico involucrado en
la producci´on de color en los espec´ımenes estudiados, se aplicaron diferentes algoritmos
de optimizaci´on para recuperar tanto la parte real como la imaginaria de la constante
diel´ectrica y los espesores de las capas de los materiales que componen el sistema natural
de multicapas. Los resultados obtenidos mediante la aplicaci´on de diferentes estrategias
de optimizaci´on heur´ıstica confirman que este tipo de algoritmos tiene un gran potencial
como herramienta para investigar las estructuras fot´onicas naturales. El estudio de la ge-
neraci´on de color estructural en el mundo natural ya ha comenzado a inspirar el desarrollo
I

de dispositivos artificiales con aplicaciones tecnol´ogicas, tales como sensores inteligentes
y nuevos tipos de filtros.
Palabras Clave: Color Estructural, Iridiscencia, Multicapas, Cristales Fot´onicos Na-
turales, Algoritmos Evolutivos
II

III

Abstract
Production of color in artificial and natural microstructured
materials
Natural photonic structures exhibit remarkable color effects such as metallic appear-
ance and iridescence. In this work, we investigate some of the microstructures of this kind
that have been identified in Coleoptera, specifically in the beetles of the species Ceroglos-
sus suturalis, which exhibit an iridescent coloration and mostly live endemically in the
southern end of South America and the south of Chile. This phenomenon of iridescence
is produced by multiple reflections of light within the epicuticle of their elytra (modified
forewing of a beetle that encases the thin hind wings used in flight), which is a multi-
layer system that alternates materials of different optical density. By means of scanning
(SEM) and transmission (TEM) electron microscopy techniques, and after processing the
images and micrographs, the significant geometrical parameters of the microestructure
responsible for the structural color in these beetles, such as the number of layers and their
thicknesses, have been obtained. By using an optical fiber coupled spectrophotometer, re-
flectance spectra have been measured, and the chromaticity diagrams have been obtained
for several samples under different illumination conditions. Once the physical mechanism
underlying the color production in the studied specimens was confirmed, different opti-
mization algorithms have been applied to retrieve the real and imaginary parts of the
relative permittivity of the materials comprising the natural multilayer system, as well as
the layers thicknesses. The results obtained by applying different heuristic optimization
strategies confirm that this kind of algorithms have a great potential as a tool to investi-
IV

gate natural photonic structures. The study of structural color generation in the natural
world has already started to inspire the development of artificial devices for technological
applications, such as smart sensors and new kinds of filters.
Keywords: Structural Color, Iridescence, Multilayers, Natural Photonic Crystals,
Evolution Algorithms
V

Agradecimientos
Quisiera agradecer en primer lugar a mi familia, a mi pilares incondicionales, a mi
esposo Pablo y a mis adorados hijos. El amor, la comprensi´on, la infinita paciencia y las
continuas palabras de aliento y contenci´on fueron sin duda los propulsores que me han
permitido la culminaci´on de este anhelado sue˜
no...sin ellos nunca se hubiese concretado...
A mi madre, que a pesar de la distancia siempre estuvo presente en mi coraz´on.
A mi padre, cuya ausencia demasiado temprana no impidi´o que sintiera sus fuerzas
que me ayudaron a no desmoronarme en mis peores momentos.
A todos los integrantes del Grupo de Electromagnetismo Aplicado, por su apoyo y co-
laboraci´on. A Mariana, por escucharme, por su complicidad y sobre todo por su amistad.
A Miriam por su dedicaci´on y generosidad al compartir sus conocimientos de Latex. A
Mar´ıa Luz, a Mauro, a Angela y a Marina.
Al Dr. Daniel Schinca, quien no s´olo me abri´o las puertas de su laboratorio brind´andome
la posibilidad de llevar a cabo la parte experimental de mi Tesis sino que adem´as aport´o ideas
y mejoras para el dise˜
no de los dispositivos experimentales.
A Demetrio, por sus Algoritmos Evolutivos y por sus prontas y acertadas respuestas
a mis permanentes inquietudes.
VI

Finalmente, quiero agradecer muy especialmente a Ricardo y a Diana por haber con-
fiado en m´ı, por haberme dado una segunda oportunidad en mi Carrera de Doctorado.
Les estar´e eternamente agradecida...
VII

´Indice general
1. Introducci´
on
1
1.1. Color estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2. Cole´opteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3. Biomim´etica - Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.4. Obtenci´on de par´ametros biol´ogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2. Caracterizaci´
on de las muestras biol´
ogicas
11
2.1. Motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3. T´ecnicas de microscop´ıa utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1. Microscopio ´optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2. Microscopio electr´onico de barrido (SEM) . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3. Microscopio electr´onico de transmisi´on (TEM) . . . . . . . . . . . . 22
2.4. Procesado de im´agenes y caracterizaci´on estructural . . . . . . . . . . . . . 23
3. Mediciones de Reflectancia
29
3.1. Motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2. Esfera integradora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3. Espectr´ometro acoplado a fibra ´optica
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4. Montaje experimental para incidencia normal . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5. Mediciones de reflectancia polarizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
VIII

4. C´
alculo del Color e Iridiscencia
47
4.1. Motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2. Concepto y c´alculo del color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3. Iluminantes patrones y campo visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4. Iridiscencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5. Modelo te´
orico
59
5.1. Motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2. Optimizaci´on heur´ıstica
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.1. Estrategias evolutivas (ES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.2. Optimizaci´on de enjambre de part´ıculas (PSO) . . . . . . . . . . . . 64
5.3. Modelo de multicapas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4. M´etodo 4 x 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6. Obtenci´
on de par´
ametros relevantes
74
6.1. Motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2. Ejemplos de Validaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.1. EJEMPLO 1: Obtenci´on de dos variables objeto . . . . . . . . . . . 75
6.2.2. EJEMPLO 2: Obtenci´on de cuatro variables objeto . . . . . . . . . 81
6.3. Ejemplos de Aplicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.1. Recuperaci´on de las constantes diel´ectricas de los materiales pre-
sentes en la estructura de multicapas del Ceroglossus suturalis verde
a partir del espectro de reflectancia correspondiente a un ´angulo de
incidencia de 15

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.2. Recuperaci´on de par´ametros relevantes de las muestras de Ceroglos-
sus suturalis verde y dorado a partir del espectro de reflectancia
correspondiente a un ´angulo de incidencia de 30

. . . . . . . . . . 90
7. Conclusiones y perspectivas
103
A. Procesado de im´
agenes y caracterizaci´
on estructural
112
IX

B. Microscopios Electr´
onicos de Barrido
117
C. ImageJ
120
D. Prisma de Glan-Thompson
122
Bibliograf´ıa
124
X

Cap´ıtulo 1
Introducci´
on
1.1.
Color estructural
Ya en el siglo XVII, Hooke y Newton incursionaron en el estudio del llamativo color
metalizado de algunas especies de insectos y de los colores brillantes e iridiscentes del pavo
real. Pero fue reci´en en el a˜
no 1940, junto con el avance de la tecnolog´ıa, y en especial con el
desarrollo del microscopio electr´onico, que se pudieron estudiar en detalle las estructuras
biol´ogicas en el rango de la nano-escala. Los pioneros de estas investigaciones fueron
Anderson y Richard (1942), quienes estudiaron el color estructural de algunos insectos
[1].
El color estructural es el tipo de color generado por la interacci´on de la luz con la
microestructura de un tejido, y se origina por una particular distribuci´on de ´ındices de
refracci´on. Este tipo de color ha atra´ıdo el inter´es de muchos especialistas de diferentes
campos de investigaci´on. Dicho inter´es se debe principalmente al hecho de que el me-
canismo de generaci´on del color estructural es de origen puramente f´ısico, a diferencia
del mecanismo de coloraci´on usual por pigmento, que es de origen qu´ımico y se produce
por la absorci´on selectiva de la luz en un cierto rango de longitudes de onda. Diferentes
fen´omenos ´opticos dan origen al color estructural, entre los cuales encontramos la interfe-
rencia en l´aminas delgadas, la difracci´on en redes, la dispersi´on por estructuras aleatorias,
1

etc. En las estructuras naturales todos estos procesos se combinan y producen fen´omenos
´opticos complejos [2, 3].
Entre las especies biol´ogicas existen muchos ejemplos diferentes de estructuras con
respuestas ´opticas espec´ıficas. El ejemplo m´as antiguo y conocido es el ´opalo (Fig. 1.1),
una gema sedimentaria usada en la elaboraci´on de art´ıculos ornamentales y ceremoniales.
A diferencia de otras gemas, el ´opalo no tiene estructura cristalina, sino que est´a formado
por esferas nanom´etricas de s´ılice. La difracci´on de la luz a trav´es de este arreglo produce
un juego de colores caracter´ıstico, determinado por el tama˜
no de las esferas y por la
regularidad de la estructura peri´odica.
Figura 1.1:
(a) Fotograf´ıa de un ´
opalo. (b) Imagen de la estructura interna de un ´
opalo natural
observada en un microscopio electr´
onico de barrido (SEM).
El control estructural de la luz tambi´en se manifiesta en el mundo animal, como puede
observarse en muchos insectos que aprovechan sus micro y nanoestructuras para generar
su coloraci´on externa que cambia con el ´angulo de observaci´on (iridiscencia) y/o presen-
tar una apariencia met´alica [4]. Algunos escarabajos poseen alas iridiscentes de aspecto
met´alico, y tienen la particularidad de reflejar selectivamente luz circularmente polarizada
[5]. Los lepid´opteros (mariposas y polillas) son bien conocidos por su diversidad de colores
y dise˜
nos producidos por las escamas que cubren sus alas. Estas escamas tienen formas in-
trincadas, con estratificaciones, agujeros y surcos en formas complejas, los cuales producen
diferentes fen´omenos ´opticos tales como interferencia, dispersi´on y difracci´on [6–8]. Estos
organismos utilizan este efecto de color para la comunicaci´on. Tambi´en los colores pueden
2

servir como un criterio de selecci´on para el apareamiento [9]. Otras funciones importantes
que aporta el color en algunas especies es el camuflaje, como signo de advertencia en la
interacci´on entre las diferentes especies, y hasta en la termorregulaci´on [10].
Otro ejemplo conocido de color estructural es el color azul iridiscente de la mariposa
Morpho rhetenor que se produce debido a la difracci´on de la luz en la microestructura
presente en las escamas de sus alas [11]. Cada escama mide aproximadamente 200 µm
de largo y 80 µm de ancho, est´a hecha de quitina y cubierta por alrededor de 1300
protuberancias paralelas por mil´ımetro. Esta estructura peri´odica constituye una red de
difracci´on cuya secci´on transversal tiene la geometr´ıa de un ´arbol (Fig. 1.2) [7, 12–14].
Figura 1.2:
(a) Mariposa M orpho rhetenor. (b) Escamas del ala de la mariposa donde puede
visualizarse el efecto de iridiscencia. (c) Imagen TEM de la secci´
on transversal de la escama del
ala de la mariposa. Escala: 800 nm.
Otra especie que posee color estructural es el rat´on de mar (Fig. 1.3), que est´a recu-
bierto por largos hilos y p´
uas o espinas que producen una brillante iridiscencia [15]. Estas
espinas poseen una microestructura peri´odica con simetr´ıa hexagonal que produce bandas
prohibidas en varias direcciones de propagaci´on, lo que explica su iridiscencia.
Recientemente tambi´en se ha reportado un efecto de puntillado multicolor iridiscente
3

Figura 1.3:
Rat´
on de mar.
en el hongo de la especie Diachea leucopoda, perteneciente a la clase Myxomycetes
(Protozoa) (Fig. 1.4), el cual tambi´en es generado por efectos fot´onicos [16, 17].
Figura 1.4:
Diachea leucopoda.
1.2.
Cole´
opteros
Los Cole´opteros, vulgarmente conocidos como Escarabajos, son el orden de insectos
milenarios con mayor variedad de ejemplares que exhiben color estructural. Este gran
grupo de insectos contiene m´as especies que cualquier otro orden dentro del reino animal
4

(400.000 especies), seguido por los lepid´opteros (mariposas y polillas), himen´opteros (abe-
jas, avispas y hormigas) y d´ıpteros (moscas y mosquitos). Los cole´opteros se caracterizan
por tener el primer par de alas (´elitros) atrofiadas y endurecidas, de manera que cumplen
la funci´on de protecci´on. El segundo par de alas membranoso se pliega bajo los ´elitros y
se emplean para el vuelo. Muchos de los cole´opteros han perdido la capacidad de volar,
por lo que sus alas posteriores pueden estar tambi´en parcial o totalmente atrofiadas. Se
los suele encontrar en cualquier tipo de ambientes, tanto en la tierra como en el mar. Co-
mo los lepid´opteros, los cole´opteros poseen extraordinarios colores que cubren el cuerpo
entero, incluyendo las patas, las antenas y los ´elitros. La superficie de los cole´opteros se
conoce con el nombre de cut´ıcula, que es un sistema complejo compuesto por prote´ınas,
l´ıpidos y quitina, entre otros. Dentro de la cut´ıcula se pueden distinguir dos partes princi-
pales: una capa externa y delgada conocida como epicut´ıcula y otra interna y m´as gruesa
que cubre la epidermis (procut´ıcula). La epicut´ıcula es una capa muy fina, a menudo sin
pigmentaci´on, que est´a formada por l´ıpidos y prote´ınas (no posee quitina), y su funci´on
es mantener el medio qu´ımico del insecto evitando la p´erdida de agua. Por otra parte,
la procut´ıcula est´a constituida por quitina y por varias prote´ınas, y es la responsable del
aporte de la flexibilidad y dureza, adem´as de tener un rol esquel´etico predominante (Fig.
1.5). Est´a formada por dos sub-capas: la exocut´ıcula (parte m´as externa) y la endocut´ıcula
(parte m´as interna).
La epicut´ıcula es la capa refr´actil de la epidermis, est´a formada por l´ıpidos y prote´ınas
y est´a compuesta, a su vez, por varios estratos y por poro canales. En este arreglo de
multicapas se produce el fen´omeno de interferencia, a veces combinado con el fen´omeno
de polarizaci´on por reflexi´on causado por la estructura y los alv´eolos de la superficie. Este
conjunto de microestructuras que conforman la cut´ıcula y que est´an presentes tanto en
las escamas como en las alas de los cole´opteros originan los hermosos colores que exhiben
estos organismos.
En el presente trabajo de Tesis se estudia en profundidad la generaci´on del color
estructural en dos cole´opteros end´emicos de Am´erica del Sur pertenecientes a la especie
Ceroglossus suturalis de dos colores diferentes: verde y dorado-cobrizo (Fig. 1.6). El estudio
5

Figura 1.5:
Esquema general de la estructura del tejido de los invertebrados con simetr´ıa
bilateral dotados de un esqueleto externo y ap´endices articulados. Se muestra su estratificaci´
on
heterog´enea que responde a distintas exigencias del medio.
de estos organismos constituye, por un lado una contribuci´on a las ciencias biol´ogicas
mediante la identificaci´on de las funciones del comportamiento de la especie [18], y por
otro lado tambi´en podr´ıa constituir una fuente de inspiraci´on de tecnolog´ıas biomim´eticas
con aplicaciones en diferentes industrias relacionadas con el color [19–23].
6

Figura 1.6:
Ceroglossus suturalis
verde y dorado.
1.3.
Biomim´
etica - Aplicaciones
La biomim´etica tiene como objetivo la r´eplica de materiales y la imitaci´on de pro-
cesos biol´ogicos, tanto org´anicos como inorg´anicos, para aplicaciones y prop´ositos espe-
ciales. Desde el punto de vista electromagn´etico, su finalidad principal es el desarrollo
de materiales funcionales a trav´es del control de las propiedades y la geometr´ıa en la
nanoescala. El estudio de las microestructuras biol´ogicas es una de las ramas de mayor
inter´es dentro de la biomim´etica, ya que provee informaci´on relevante para el dise˜
no y la
manufactura de nuevos materiales. La idea central de esta disciplina es aprovechar que
a lo largo de miles de a˜
nos la naturaleza ha resuelto ya muchos de los problemas que
nosotros nos esforzamos en resolver actualmente. Los animales, las plantas y los micro-
bios son organismos consumados. Por lo tanto, la emulaci´on consciente de la naturaleza
resulta ser una excelente estrategia para generar soluciones artificiales. Por un lado, el
estudio de las propiedades ´opticas de las estructuras fot´onicas naturales inspira el dise˜
no
de estructuras artificiales con fines espec´ıficos, y por otro lado motiva el desarrollo de
nuevas tecnolog´ıas de fabricaci´on de nanomateriales, que en muchos casos ofrecen ven-
tajas significativas comparadas con las provistas por las tecnolog´ıas convencionales [21].
Algunos ejemplos de aplicaci´on son la creaci´on de un sistema que focaliza rayos X inspi-
rado en la estructura presente en los ojos de la langosta [24] y los dispositivos ´opticos de
7

seguridad que emplean microestructuras similares a las que posee la mariposa Morpho en
sus escamas [25, 26]. Tambi´en se han desarrollado otros dispositivos bioinspirados para
la inhibici´on de la emisi´on espont´anea (diodos l´aser, diodos emisores de alta eficiencia)
y en componentes ´opticos integrados (gu´ıas de ondas, multiplexores para telecomunica-
ciones ´opticas, entre otras), y se ha propuesto imitar las caracter´ısticas geom´etricas de


Yüklə 5,81 Mb.

Dostları ilə paylaş:
  1   2   3   4   5   6   7   8




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©www.azkurs.org 2020
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə