🦋 El ala de una mariposa, el destello de una luciérnaga y una gota de tinta producen color de tres maneras completamente distintas. La naturaleza tardó millones de años en inventar esos tres trucos por separado, y la mayoría de los seres vivos usa solo uno a la vez. En una universidad japonesa con raíces en una escuela de seda de hace más de un siglo, un equipo acaba de plegar los tres en una sola lámina ultrafina.
Donde antes se hilaba seda, hoy se teje con luz
La Universidad de Shinshu está en Ueda, una ciudad-castillo entre las montañas de Nagano que, generaciones atrás, se enriqueció con la seda. Su Facultad de Ciencia y Tecnología Textil —la única facultad de Japón que aún lleva la palabra «textil» en su nombre— nació de una escuela de sericultura fundada en 1910. En el campus todavía se alza un almacén de ladrillo donde se guardaban los capullos del gusano de seda; hoy es un museo.
Es un lugar apropiado para lo que hace Koki Sano. Sano, profesor asociado de esa facultad, ha dedicado su carrera a construir materiales que se comporten como seres vivos. Los resultados que han salido de su laboratorio parecen el catálogo de un pequeño acuario: un cristal fotónico dinámico «como un pez tropical» que cambia de color a voluntad, un hidrogel anisotrópico «como el cartílago articular», un gel que se endurece y se ablanda «como un pepino de mar» y, en 2021, miles de millones de nanoláminas moviéndose juntas en una onda, «como el batir de los cilios».
Su objetivo declarado es construir sistemas artificiales que igualen —y de ser posible superen— la elegancia de la biología. El estudio publicado el 26 de mayo en la revista Nature Communications es, en cierto sentido, el capítulo donde varios de esos hilos se entrelazan.
Las tres formas en que la naturaleza fabrica el color
Antes de la ciencia, un breve rodeo por cómo funciona el color, porque solo así se entiende la magnitud del logro.
Existen, a grandes rasgos, tres maneras de producir color.
La primera es la absorción. Una manzana roja, un tinte azul, la tinta de esta frase: los pigmentos absorben ciertas longitudes de onda de la luz y devuelven el resto. Es el color que casi todos imaginamos cuando escuchamos la palabra.
La segunda es la reflexión o, más exactamente, la estructura. El ala de una mariposa morfo no contiene ni una pizca de pigmento azul. Su azul nace de unas crestas microscópicas, separadas más o menos a la longitud de onda de la luz, que devuelven al ojo solo ciertos colores. La piel cambiante de un camaleón y el destello plateado de un tetra neón funcionan igual. Se llama color estructural y, como proviene de la forma y no de la química, no se destiñe.
La tercera es la emisión. Una luciérnaga no refleja nada: fabrica su propia luz y brilla en la oscuridad.
Aquí está la dificultad. Los seres vivos casi siempre dependen de uno solo de estos mecanismos. La mariposa usa estructura; la luciérnaga, emisión; la amapola, pigmento. Lograr que los tres convivan en un mismo material —y que cooperen en lugar de anularse— era un problema realmente difícil.
Una sola lámina, tres tipos de color
El equipo de Sano partió de una pieza llamada nanolámina de óxido de titanio: una hojuela tan delgada (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) que es, en la práctica, bidimensional. Se obtiene exfoliando un cristal laminar hoja por hoja; como su superficie tiene carga negativa, se dispersa a gusto y flota en el agua.
La clave del equipo es lo que llaman una estrategia modular, y lo más fácil es imaginarla como piezas de LEGO. Se toma la nanolámina base y se le adhieren partículas con distintas funciones; como la lámina tiene carga negativa, las partículas con carga positiva se pegan solas por simple atracción eléctrica. Se cambia la partícula y se cambia la función: con nanopartículas de oro, la lámina absorbe luz y da un rojo; con nanovarillas de oro, un azul; con diminutas partículas fluorescentes de sílice, la lámina brilla. El truco del oro merece una palabra aparte. Cuando la luz golpea una partícula de oro muy pequeña, los electrones libres del metal oscilan al compás de esa luz y absorben ciertos colores, un fenómeno llamado plasmón. Por eso el oro a escala nanométrica se ve rojo y no dorado.
Fuente: Universidad de Shinshu / JST
Después llega la autoorganización. Dejadas en agua en las condiciones adecuadas, las láminas se empujan entre sí con sus cargas iguales hasta quedar separadas unos cientos de nanómetros: justo la distancia necesaria para reflejar la luz visible. Nadie las apila. Se ordenan solas en una estructura repetida y regular, un cristal fotónico que genera color estructural por sí mismo.
Al juntar esos dos pasos se obtiene el resultado que da título al artículo: un único cristal fotónico en el que la absorción de las partículas de oro, la reflexión estructural y la emisión fluorescente funcionan a la vez. Los colores se mezclan en tonos imposibles de obtener con un solo mecanismo: un rojo extraído del oro que absorbe la luz, superpuesto al color estructural de la propia red.
Color que se enciende y se apaga
Un color fijo ya es algo. Pero el equipo demostró además que el color puede modificarse a voluntad, y de dos maneras.
La primera es el magnetismo. Las láminas de óxido de titanio pueden orientarse con un campo magnético. Al aplicar un campo potente —12 teslas, mucho más fuerte que el de una resonancia magnética hospitalaria—, las láminas se alinean y el color estructural puede encenderse o apagarse de forma reversible con solo cambiar la dirección del campo.
La segunda es la propia luz. Si se ilumina el material con luz verde —el color que absorben las nanopartículas de oro—, las partículas convierten esa luz en calor. El calentamiento local afloja la separación entre láminas y el color estructural se desplaza hacia longitudes de onda más cortas. Al apagar la luz, el material se enfría y el color regresa. Un cristal fotónico que se puede repintar con una linterna.
Ver lo invisible
El logro que los propios investigadores señalan como el más importante no es un color, sino una fotografía.
Las nanoláminas son tan delgadas que un microscopio óptico común no las ve. El recurso habitual es el microscopio electrónico, pero eso obliga a fijar la muestra y secarla: congelar un proceso vivo, basado en agua, hasta dejarlo inerte. Se ve la estructura, pero nunca el movimiento.
Al incorporar fluorescencia a las láminas híbridas, el equipo sorteó ese obstáculo. Con un microscopio confocal láser —un instrumento que reconstruye imágenes en 3D capa por capa— fotografiaron directamente nanoláminas individuales, en agua, mientras el cristal fotónico se autoensamblaba. Como las láminas se mantienen a distancia por repulsión electrostática, queda espacio suficiente para distinguir una de otra. También captaron cómo la estructura se relaja de nuevo hacia el desorden tras retirar el campo magnético.
Para el campo de los materiales bidimensionales es un avance discreto pero real. Por primera vez, la autoorganización deja de ser una caja negra. Se puede ver ocurrir.
Una apuesta distinta a la de Occidente
Controlar la luz con nanoestructuras es una de las carreras más intensas de la ciencia de materiales, y quien ha llevado la delantera es otro enfoque: la metasuperficie. Nacida en el laboratorio de Federico Capasso en Harvard y comercializada por Metalenz, una empresa derivada de Harvard en 2016, la metasuperficie es un componente óptico plano —la metalente— grabado con millones de pilares más pequeños que la longitud de onda mediante la misma litografía que fabrica los chips. Ya está dentro de más de cien millones de dispositivos de consumo, en un mercado que los analistas estiman superará los 2.000 millones de dólares.
La vía japonesa es casi la filosofía opuesta. La metasuperficie se talla de arriba hacia abajo y graba un patrón fijo en el silicio. Las nanoláminas de Sano se construyen de abajo hacia arriba, en agua, sin sala limpia ni grabado. Y lo decisivo: el resultado no es fijo. Puede reajustarse con un imán o con un haz de luz, y puede cumplir varias funciones ópticas al mismo tiempo.
No son verdaderos competidores, sino respuestas a preguntas distintas. Una metalente enfoca una imagen; un cristal fotónico modular es una superficie óptica reconfigurable y multifunción. Pero el estudio recuerda que el camino industrial evidente no es el único. Conviene añadir que las nanoláminas inorgánicas son un terreno donde Japón es silenciosamente fuerte: uno de los coautores de este artículo, Takayoshi Sasaki, del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, es uno de los pioneros de las nanoláminas de óxido de titanio sobre las que se construye este trabajo.
En qué puede convertirse
Conviene ser honestos con las distancias. Esto es investigación básica, no un producto. No hay una pantalla que comprar ni una tinta en el estante.
Lo que el equipo ha construido es una plataforma y una caja de herramientas. La estrategia modular permite sumar funciones nuevas con solo elegir partículas distintas, y diseñar el comportamiento óptico a propósito en lugar de descubrirlo por azar. Los investigadores apuntan a nuevos materiales colorantes y tintas, a sistemas antifalsificación, a sensores y a materiales fotónicos «inteligentes» cuyo aspecto responde al entorno. El método de visualización en 3D quizá termine pesando tanto como el resto, como una forma nueva de estudiar cómo se organiza cualquier sistema de nanoláminas.
En Japón, parte de la investigación más llamativa sobre la luz y el color ocurre en una universidad con raíces en el hilo de seda: un largo hilo en sí mismo, que va del capullo a la nanolámina. ¿Qué investigación de materiales avanza en silencio donde tú vives? ¿Y se te habría ocurrido buscarla en una escuela textil? Cuéntanoslo en los comentarios.
Discusión global
3 comentarios