Fotónica bioinspirada

La fotónica bioinspirada o los materiales ópticos bioinspirados son la aplicación de la biomímesis (el uso de modelos, sistemas y elementos naturales para innovaciones humanas ^{[ 1 ]} ) al campo de la fotónica (la ciencia y aplicación de la generación, detección y manipulación de la luz ^{[ 2 ]} ). Esto difiere ligeramente de la biofotónica , que es el estudio y la manipulación de la luz para observar sus interacciones con la biología . ^{[ 3 ]} Un área de la que se puede extraer inspiración es el color estructural , que permite que el color aparezca como resultado de la estructura detallada del material. ^{[ 4 ]} Otra inspiración puede provenir del camuflaje estático y dinámico en animales como el camaleón ^{[ 5 ]} o algunos cefalópodos . ^{[ 6 ]} Los científicos también han estado buscando recrear la capacidad de absorber luz utilizando moléculas de diversas plantas y microorganismos . ^{[ 7 ]} Aprovechar estas estructuras altamente evolucionadas permite a los ingenieros mejorar y optimizar las tecnologías fotónicas existentes, al tiempo que resuelven problemas existentes dentro de este campo.

Uno de los primeros encuentros con la fotónica biológica se remonta al siglo VI a. C. (antes de la era común). El filósofo griego Anaximandro , considerado el primer científico, tuvo un alumno llamado Anaxímenes , quien hizo la primera mención documentada de la bioluminiscencia . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Describió haber visto un resplandor en el agua al golpearla con un remo. ^{[ 10 ]} De manera similar, Aristóteles también experimentó el mismo fenómeno, que documentó en obras como Meteorologica ^{[ 11 ]} y De Coloribus . ^{[ 12 ]} Menciona haber visto «cosas que no son fuego ni formas de fuego parecen producir luz por naturaleza. ^{[ 12 ]} »

Aunque se experimentó desde muy temprano, aún no había explicación de por qué ocurría. No fue hasta los primeros microscopios , utilizados por Robert Hooke a mediados del siglo XVII, ^{[ 13 ]} que los humanos pudieron observar la naturaleza con mayor detalle. El propio Hooke publicó lo que había visto en el texto Micrographia en 1665. ^{[ 14 ]} Allí describe varias estructuras biológicas como las plumas de aves coloridas , las alas y los ojos de las moscas y las escamas nacaradas de los pececillos de plata . Esta capacidad de observar las microestructuras de la naturaleza proporcionó a los científicos información sobre los mecanismos que subyacen a las interacciones entre la biología y la luz. La Teoría de la Imperfección, publicada por el biofísico ruso Zhuravlev y el bioquímico estadounidense Seliger, es la primera hipótesis de trabajo sobre la emisión ultra débil de fotones por los sistemas biológicos. ^{[ 15 ]} Los avances posteriores en microscopía, como la microscopía electrónica de barrido (MEB), ^{[ 16 ]} solo aumentaron esto y permitirían a los científicos imitar estas estructuras observadas.

Además, el concepto de biomímesis fue impulsado por muchos científicos, entre ellos Leonardo da Vinci . Dedicó mucho tiempo al estudio de la anatomía de las aves y sus capacidades de vuelo. Como demuestran varios bocetos y notas que dejó, incluso intentó crear una "máquina voladora". ^{[ 17 ]} Aunque no tuvo éxito, fue uno de los primeros ejemplos de biomímesis.

La biomimética molecular implica el diseño de materiales ópticos basados ​​en moléculas y/o macromoléculas específicas para inducir coloración. ^{[ 18 ]} Los polímeros de impresión molecular (MIP) están específicamente dirigidos a la detección de macromoléculas. ^{[ 19 ]} También pueden formarlas en estructuras específicas que cambian de color. ^{[ 20 ]} Se han desarrollado materiales inspirados en pigmentos que buscan una absorción específica de luz molecular , como por ejemplo películas inspiradas en la melanina preparadas por la polimerización de precursores de melanina como la dopamina y el 5,6-dihidroxiindol para provocar saturación de color . ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} La polidopamina es un polímero sintético con propiedades de color similares a la melanina. ^{[ 24 ]} También puede actuar para mejorar la viveza y la estabilidad de los colores estructurales. ^{[ 20 ]} Se han propuesto materiales basados ​​en el apilamiento multicapa de cristales moleculares de guanina que se encuentran en organismos vivos (por ejemplo, peces ^{[ 25 ]} y camaleones ^{[ 26 ]} ) como recubrimientos reflectantes potenciales y reflectores solares . Los materiales ópticos basados ​​en proteínas , por ejemplo, las proteínas reflectinas autoensamblables que se encuentran en cefalópodos ^{[ 27 ] [ 28 ]} y seda , ^{[ 29 ]} han suscitado interés en materiales artificiales para sistemas de camuflaje , ^{[ 30 ]} papel electrónico (e-paper) ^{[ 31 ]} y aplicaciones biomédicas. ^{[ 32 ]} Las macromoléculas biológicas no proteicas, como el ADN, también se han utilizado para la óptica bioinspirada. ^{[ 33 ]} El biopolímero más abundante en la Tierra, la celulosa , también se ha utilizado como componente principal para la bioóptica. ^{[ 34 ] [ 18 ]}La modificación de la madera u otras fuentes de celulosa puede mitigar la dispersión y absorción de la luz, dando lugar a materiales ópticamente interesantes como la madera y el papel transparentes . ^{[ 35 ] [ 36 ]} La modificación de las propiedades del tejido vivo mediante irradiación combinada puede cambiar sus respuestas biológicas y relevancia fisiológica. ^{[ 37 ] [ 38 ]} La presión y la polaridad del disolvente afectan el color de una membrana de celulosa fabricada, hasta el punto de ser detectable a simple vista. La celulosa también puede utilizarse como nanofibrillas o nanocristales después de tratamientos. Uno de estos tratamientos implica un agente nitrante para formar nitrocelulosa . ^{[ 20 ]} Los nanocristales de celulosa pueden polarizar la luz. ^{[ 39 ]}

El color estructural es un tipo de coloración que surge de la interacción de la luz con nanoestructuras. ^{[ 40 ]} Esta interacción es posible porque estas estructuras fotónicas tienen el mismo tamaño que la longitud de onda de la luz. Mediante un mecanismo de interferencia constructiva y destructiva , ciertos colores se amplifican, mientras que otros disminuyen.

Las estructuras fotónicas abundan en la naturaleza y existen en una amplia gama de organismos. Cada organismo utiliza estructuras distintas, cada una con una morfología diferente diseñada para obtener el efecto deseado. Ejemplos de ello son el cristal fotónico que subyace a los colores brillantes de las plumas del pavo real ^{[ 41 ]} o las estructuras arborescentes responsables del azul brillante de algunas mariposas Morpho ^{[ 42 ] .}

Un ejemplo de fotónica bioinspirada que utiliza estructuras es el llamado ojo de polilla . Las polillas tienen una estructura de cilindros ordenados en sus ojos que no producen color, sino que reducen la reflectividad. ^{[ 43 ]} Este concepto ha llevado a la creación de recubrimientos antirreflectantes. ^{[ 44 ]}

Una combinación de la estructura química y su interacción con la luz visible crea el color en la naturaleza de los organismos. ^{[ 4 ]} La creación de fotónica biológica específica requiere identificar los componentes químicos de la estructura, la respuesta óptica generada por la física y la función de la estructura. ^{[ 20 ]} Las estructuras complejas creadas por la naturaleza pueden variar desde estructuras simples y cuasiordenadas hasta formaciones jerárquicas complejas. ^{[ 4 ]}

Estructuras 2D

Estructura de matriz simple (Plumas de pavo real)

La naturaleza a veces manipula la nanoestructura , como los parámetros de su red cristalina , para crear sus patrones y colores. ^{[ 20 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]} La bárbula (los filamentos individuales de una pluma que contienen su color) del pavo real está formada por una capa externa de queratina y una capa interna que contiene una matriz de varillas de melanina conectadas por queratina con orificios que las separan. Cuando las varillas de melanina son paralelas a la disposición reticular de la estructura de la capa externa de queratina, se crea el color marrón. El resto de los colores de la pluma se crean cambiando el espaciado de las capas de melanina. ^{[ 20 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

Estructuras fotónicas aperiódicas

Las estructuras fotónicas aperiódicas no tienen celda unitaria y son capaces de crear brechas de banda sin necesidad de una gran diferencia en el índice de refracción . También conocidas como estructuras cristalinas cuasiordenadas, generan colores azul y verde. ^{[ 20 ]}

Los materiales responsivos son materiales o dispositivos que pueden responder a estímulos externos a medida que ocurren. Se requiere un poco de tiempo para adaptarse al nuevo entorno, pero la idea sigue siendo coherente con lo que se observa en la naturaleza. Los ejemplos más comunes son el camaleón o el pulpo, ya que su piel responsiva les permite cambiar el color o incluso la textura de su piel. ^{[ 61 ]} Los mecanismos detrás de estas tácticas se llaman cromatóforos , que son sacos llenos de pigmento que utilizan músculos y nervios para cambiar la apariencia externa del animal . Estos cromatóforos se activan por la actividad neuronal, por lo que un animal puede cambiar su color simplemente pensando en ello. ^{[ 62 ]} El animal utiliza otro mecanismo para saber qué color o forma adoptar; una célula fotosensible dentro de su piel llamada opsina es capaz de detectar la luz (y posiblemente el color). El animal puede usar estas opsinas a su favor para evaluar rápidamente su entorno, antes de activar sus cromatóforos para camuflarse con precisión en su entorno.

Muchas criaturas tienen camuflaje incorporado en sus cuerpos; por ejemplo, el pez de la figura de la derecha. En este caso hipotético, el animal puede aparecer de dos maneras diferentes según su entorno: en medio del océano, lejos de cualquier objeto sólido, puede parecer casi translúcido; cerca del fondo marino, donde los posibles depredadores solo lo detectarán desde arriba, puede oscurecerse para mimetizarse naturalmente con el lecho rocoso. Muchos peces, como el pez hacha marino, utilizan una combinación de técnicas de camuflaje para lograr estas apariencias. ^{[ 63 ]} El plateado , una táctica común, utiliza escamas altamente reflectantes para reflejar la luz circundante con la suficiente eficacia como para que las escamas parezcan invisibles desde los lados. La contrailuminación , una táctica más utilizada por los habitantes de las profundidades marinas, utiliza un órgano luminoso ubicado en la parte inferior del cuerpo para emitir luz y parecer más brillante desde abajo. En este ángulo, la luz emitida tiene una intensidad diseñada para replicar la luz solar tal como aparece en la superficie del agua. Por lo tanto, desde abajo, la criatura es esencialmente invisible para muchos depredadores.

Dentro del órgano luminoso hay una estructura laminar de fotocitos y ramificaciones nerviosas, con uniones comunicantes relativamente pequeñas entre ellos. ^{[ 64 ]} Se cree que la vasta interconectividad y la estructura en capas de estas unidades neurofotocíticas es lo que permite a un pez de aguas profundas responder rápidamente a una situación con luminiscencia espontánea . Debido a que todos los nervios están conectados directamente a la médula espinal (y por extensión, al cerebro), los investigadores creen que las señales electrónicas pueden activar la reacción de estos fotocitos. ^{[ 65 ]} Con esta línea de pensamiento, los científicos están trabajando para desarrollar tecnología que utilice este tipo de unidad neurofotocítica.

Estos materiales de inspiración biológica pueden aplicarse en diversas circunstancias. ^{[ 66 ]} Esta tecnología puede utilizarse para camuflar objetos, crear dispositivos que puedan moldearse conservando sus propiedades, o incluso ayudar a las personas en aplicaciones biomédicas. Un recubrimiento con esta tecnología puede facilitar la integración de un cuerpo extraño en un ecosistema vivo, como el cuerpo humano. La tecnología de este dispositivo permite que los anticuerpos de la persona detecten el nuevo objeto como inofensivo, facilitando así la implantación de herramientas artificiales en el cuerpo, como un marcapasos cardíaco en el pecho.