Ali di farfalla, penne di pavone e nanotecnologie: il colore strutturale

Se vi è già capitato di leggere spiegazioni sull’origine dei colori (magari proprio qui al Bar Scienza, in questo articolo di Rosaria), saprete probabilmente che alla base di tutto c’è la luce, in particolare quella che viene dal Sole. La nostra stella emette luce in un ampio intervallo di lunghezze d’onda, che vanno dal vicino infrarosso all’ultravioletto, ma la maggior parte dell’emissione è concentrata in un intervallo che va da 400 a 700 nanometri: queste lunghezze d’onda corrispondono alla luce visibile, ossia l’insieme dei colori che i nostri occhi riescono a percepire (figura 1). Il modo in cui un oggetto reagisce alle differenti lunghezze d’onda della luce solare determina il suo colore. Esempio classico: le foglie degli alberi appaiono verdi perché assorbono la luce rossa e blu e riflettono indietro il verde.

Figura 1: Spettro dell’irradianza solare, ossia dell’energia che in un secondo attraversa una superficie di un metro quadro ad una data lunghezza d’onda. In giallo l’irradianza nello spazio e in rosso quella a terra, dopo l’assorbimento da parte dell’atmosfera. L’inserto mostra il meccanismo per cui le foglie degli alberi appaiono verdi. Immagini adattate da Wikipedia.]

Come fa un corpo ad assorbire la luce? Nella maggior parte dei casi, si tratta di un fenomeno chimico. Esistono speciali molecole, chiamate pigmenti, il cui ruolo è precisamente quello di catturare la luce di un certo colore, dando origine ad una reazione chimica. Nel caso delle piante, il pigmento in questione è la clorofilla, che assorbe l’energia luminosa e la trasferisce nei centri di reazione delle cellule, dove sarà usata per produrre zuccheri (è il processo di fotosintesi). I pigmenti sono presenti in moltissimi minerali, piante e animali -umani compresi- e servono a svolgere gli usi più disparati. Nel nostro caso, la melanina ci protegge dagli ultravioletti e determina il colore della nostra pelle, dei nostri capelli e dei nostri occhi.

Esiste tuttavia un secondo tipo di colore che non nasce da una reazione chimica, ma da un fenomeno fisico: il colore strutturale. In questo caso il colore di un oggetto è determinato dalla sua struttura. Com’è possibile? Prendiamo ad esempio le farfalle del genere Morpho, diffuse principalmente in America centrale e meridionale. Le ali di queste farfalle non sono pigmentate, eppure appaiono di un colore blu intenso. Se le osserviamo al microscopio elettronico, ci accorgiamo che sono costituite da nanostrutture complesse, con una forma che ricorda vagamente quella di un albero (figura 2). Queste strutture causano un fenomeno di interferenza nella luce solare, che “distrugge” alcuni colori facendo risaltare solo il blu.

[Figura 2: A sinistra: farfalla della specie Morpho helena. A destra: porzione di ala della farfalla vista al microscopio elettronico. Fonte: Wikipedia.]

L’interferenza è un fenomeno ottico che avviene quando si sovrappongono due onde luminose dello stesso colore. Uno dei casi in cui si verifica è quando un’onda luminosa incontra uno strato sottile di materiale parzialmente riflettente, il cui spessore è un multiplo della lunghezza d’onda (figura 3). Quando la luce colpisce la superficie del materiale, una parte è immediatamente riflessa indietro, mentre il resto prosegue il suo viaggio attraverso il materiale, fino ad incontrare la superficie posteriore: qui l’onda viene di nuovo divisa in due, con una parte riflessa indietro e una trasmessa in avanti. A questo punto ci sono quindi due onde luminose riflesse, che si sovrappongono: se i picchi di una coincidono con i picchi dell’altra, si otterrà un’onda di maggiore intensità: si parla allora di interferenza costruttiva. Se invece i picchi di una si sovrappongono ai ventri dell’altra, le due onde si annullano e si parla quindi di interferenza distruttiva. Il verificarsi di questa o quella situazione dipende dalla lunghezza d’onda della luce e dalla distanza percorsa all’interno del materiale. Se la luce solare arriva su uno strato di un certo spessore, solo alcuni colori saranno riflessi indietro, mentre altri saranno “distrutti” dall’interferenza.

[Figura 3: A sinistra: interferenza costruttiva tra due onde elettromagnetiche dello stesso colore, che interagiscono con uno strato sottile di materiale semitrasparente. A destra: interferenza distruttiva. Immagini adattate da Wikipedia.]

I fenomeni di interferenza possono essere accentuati se, anziché prendere un solo strato di materiale, si crea una sovrapposizione regolare di strati di spessore identico alternati a strati di aria. Una struttura di questo tipo è denominata riflettore distribuito di Bragg ed è esattamente la struttura che ritroviamo negli “alberi” sulle ali delle farfalle Morpho. In questo caso le interferenze sulle singole superfici si combinano: non è più un singolo colore ad essere “distrutto”, ma l’intera banda che va dal rosso al verde, mentre i colori nella banda del blu vengono accentuati dalle multiple interferenze costruttive.

Talvolta le nanostrutture sono così complesse che l’effetto dell’interferenza varia da un punto all’altro e l’oggetto appare multicolore: è il fenomeno dell’iridescenza, responsabile dell’aspetto di alcuni minerali come gli opali e la madreperla. Tra gli esseri viventi, troviamo colori strutturali in alcune piante, come i ranuncoli, e in numerose specie animali, principalmente tra le farfalle, gli scarabei e gli uccelli (figura 4), ma non mancano animali acquatici come alcune stelle marine e cefalopodi. Alcuni di questi possono addirittura modificare la forma delle nanostrutture sulla loro pelle per cambiare colore a comando!

[Figura 4: Esempi di colore strutturale. a) Conchiglia in madreperla. b) Madreperla al microscopio elettronico. c) Penne di pavone maschio. d) Scarabeo Entimus imperialis. e) Ali di Entimus imperialis al microscopio elettronico. f) Ranuncolo. Fonte: Wikipedia.]

Il meccanismo del colore strutturale è conosciuto fin dagli inizi del XIX secolo, ma solo recentemente la tecnologia umana è diventata sufficientemente avanzata da poter imitare le incredibili strutture della natura. Un’intera branca scientifica e tecnologica, la nanofotonica, si è sviluppata con l’obiettivo di imparare a manipolare le proprietà della luce grazie a strutture di scala nanometrica. Le applicazioni sono innumerevoli e includono tessuti iridescenti come il Morphotex (ispirato proprio alle farfalle Morpho di cui parlavamo prima), tessuti mimetici, rivestimenti antiriflesso per vetri, fibre ottiche con proprietà speciali e laser bio-compatibili. Magari ve ne parlerò in un prossimo articolo!


Allegra Calabrese

Sono una fisica sperimentale, specializzata in ottica e dispositivi optoelettronici (laser, sensori di luce, fotocamere e oggetti simili). Dopo un dottorato e un’ulteriore esperienza di ricerca, ho deciso di dedicarmi a tempo pieno alla divulgazione. Vivo in Francia da sei anni.

Bibliografia: