miniatura|250px|As brillantes cores iridescentes das plumas da cola do pavón créanse por coloración estrutural, como xa indicaron por primeira vez Isaac Newton e Robert Hooke. A coloración estrutural, observada en animais e nunhas poucas plantas, é a produción de cor por superficies estruturadas microscopicamente suficientemente finas como para interferir coa luz visible en vez de por medio de pigmentos, aínda que algunhas coloracións estruturais se producen en combinación con pigmentos. Por exemplo, as plumas da cola do pavón están pigmentadas de marrón, pero a súa estrutura microscópica fai que tamén reflictan o azul, o turquesa e a luz verde, e a miúdo son iridescentes.
A coloración estrutural describírona por primeira vez os científicos ingleses Robert Hooke e Isaac Newton, e o principio no que se basea, a interferencia de ondas, explicouna Thomas Young un século máis tarde. Young describiu a iridescencia como resultado da interferencia entre as reflexións de dúas ou máis superficies ou películas delgadas, combinada coa refracción ao entrar e saír a luz en ditas películas. Despois, a xeometría determina que con certos ángulos, a luz reflectida de ambas as superficies interfira construtivamente, mentres que con outros ángulos, a luz interfira destrutivamente. Por tanto, as diferentes cores aparecen con diferentes ángulos.
Na coloración animal, como a das plumas de moitas aves e as escamas das ás das bolboretas, a interferencia créase por un conxunto de mecanismos fotónicos, como as redes de difracción, espellos selectivos, cristais fotónicos, fibras de cristal, matrices de nanocanles e proteínas que poden variar a súa configuración. Algúns cortes de carne tamén mostran coloración estrutural debido á exposición da disposición periódica das fibras musculares. Moitos destes mecanismos fotónicos corresponden a estruturas elaboradas visibles con microscopia electrónica. Unhas poucas especies de plantas tamén se aproveitan da coloración estrutural; nelas estruturas do interior das células producen brillantes cores. A coloración azul máis brillante coñecida en calquera tecido vivo atópase nas bagas "de mármore" da planta Pollia condensata, na que unha estrutura espiral de fibrilas de celulosa produce a dispersión da luz da lei de Bragg. O brillante resplandor dos Ranunculus prodúcese por reflexión en película delgada na epiderme combinada cunha pigmentación amarela e unha forte dispersión difusa creada por unha capa de células de amidón que está inmediatamente debaixo.
A coloración estrutural ten un gran potencial para aplicacións industriais, comerciais e militares, como superficies biomiméticas que poderían proporcionar brillantes cores, camuflaxe adaptativa, interruptores ópticos eficientes e cristais de baixa reflectancia.
Historia
miniatura|O libro Micrographia de Robert Hooke de 1665 contén as primeiras observacións sobre cores estruturais.
No seu libro de 1665 Micrographia, Robert Hooke describiu as cores "fantásticas" das plumas do pavón:Hooke, Robert. Micrographia. Chapter 36 ('Observ. XXXVI. Of Peacoks, Ducks, and Other Feathers of Changeable Colours.')
Isaac Newton no seu libro de 1704 Opticks describiu o mecanismo das cores adicionais que non eran o pigmento marrón das plumas da cola do pavón. Newton sinalou que
Thomas Young (1773–1829) ampliou a teoría particulada da luz de Newton mostrando que a luz podía tamén comportarse como unha onda. Mostrou en 1803 que a luz podía refractarse nos bordos agudos ou fendas, creando padróns de interferencia.
No seu libro de 1892 Animal Coloration, Frank Evers Beddard (1858–1925) recoñeceu a existencia de cores estruturais: miniatura|En 1892, Frank Evers Beddard indicou que o groso pelame da toupa Chrysospalax estaba coloreado estruturalmente. As toupas douradas pertencen á familia Chrysochloridae, que comprende varios xéneros como Chrysopalax, Chrysochloris e outros.
Pero despois Beddard en gran medida desestimou a coloración estrutural, primeiramente como subordinada aos pigmentos: "en todos os casos a cor [estrutural] necesita para manifestarse un fondo de pigmento escuro;" e despois afirmando a súa rareza: "Con gran diferenza, a fonte máis común de cor en animais invertebrados é a presenza na pel de pigmentos definidos", aínda que posteriormente admite que o toupa dourada Chrysochloris asiatica ten "peculiaridades estruturais" no seu pelo que "dan lugar a brillantes cores".
Principios
Estrutura, non pigmento
miniatura|Cando a luz incide sobre unha película delgada, as ondas reflectidas desde as superficies superior e inferior viaxan a diferentes distancias no ángulo, polo que se interfiren.
A coloración estrutural é causada polos efectos de interferencia en vez de por pigmentos. Structural colour under the microscope! Feathers, beetles and butterflies!! As cores estruturais prodúcense cando un material está marcado con finas liñas paralelas ou formado por unha ou máis capas finas paralelas, ou composto de microestruturas na escala da lonxitude de onda da cor.
A coloración estrutural é responsable das cores azuis e verdes das plumas de moitas aves (o abellaruco europeo, picapeixe e o gaio azul, por exemplo), e das ás de moitas bolboretas, élitros de escaravellos e (aínda que é rara nas flores) o brillo dos pétalos dos ranúnculos. Estes son a miúdo iridescentes, como nas plumas do pavón e as cunchas nacaradas como as perlas de ostras (Pteriidae) e a do Nautilus. Isto débese a que a cor reflectida depende do ángulo de visión, que á súa vez determina o espazado aparente da estrutura responsable. As cores estruturais poden combinarse con cores de pigmentos: as plumas están pigmentadas de marrón pola melanina, mentres que os pétalos de ranúnculo teñen tanto pigmentos carotenoides amarelos coma películas delgadas reflectivas.
Principio da iridescencia
miniatura|esquerda|Micrografía electrónica dunha superficie fracturada de nácar mostrando múltiples capas finas.
miniatura|Velaquí unha serie de 3 fotos tomadas con ou sen lentes para ver cine 3D circularmente polarizadas de MasterImage dalgúns escaravellos mortos Cetonia aurata cuxa cor verde brillante procede de luz polarizada á esquerda. Nótese que, sen os cristais, tanto os escaravellos coma as súas imaxes teñen cor brillante. O polarizador dereito fai desaparecer a cor do escaravello pero deixa intacta a cor das imaxes. O polarizador esquerdo fai o contrario, mostrando a inversión esquerda/dereita da polarización da luz reflectida.
A iridescencia, tal como explicou Thomas Young en 1803, créase cando películas extremadamente delgadas reflicten parte da luz incidente desde a súa superficie superior. O resto da luz pasa a través das películas e unha parte dela é reflectida desde a superficie inferior. Os dous conxuntos de ondas reflectidas viaxan rebotadas cara a arriba na mesma dirección. Pero dado que as ondas reflectidas pola parte inferior viaxaron unha distancia un pouco maior (controlada pola delgadeza e índice de refracción da película e o ángulo no que incide a luz) os dous conxuntos de ondas están fóra de fase. Cando as ondas están a unha ou máis lonxitudes de onda completas de distancia; noutras palabras, a certos ángulos específicos, súmanse (interfiren construtivamente), dando lugar a unha forte reflexión. A outros ángulos e diferenzas de fase, pode restarse, dando lugar a reflexións débiles. A película fina, por tanto, reflicte selectivamente unha soa lonxitude de onda (unha cor pura) a calquera ángulo dado, pero outras lonxitudes de onda (diferentes cores) a diferentes ángulos. Así, a medida que se move unha estrutura de película fina, como as ás dunha bolboreta ou as plumas dunha ave, parece que cambia a cor.
Mecanismos
Estruturas fixas
miniatura|Á de bolboreta a diferentes aumentos mostrando quitina microestruturada que actúa como unha rede de difracción.
Un certo número de estruturas fixas poden crear cores estruturais por mecanismos como as redes de difracción, espellos selectivos, cristais fotónicos, fibras de cristal e matrices deformadas. As estruturas poden ser moito máis elaboradas que unha soa película fina: as películas poden estar empiladas dando lugar a unha forte iridescencia, para combinar dúas cores, ou equilibrar o inevitable cambio de cor co ángulo para dar un efecto menos iridescente e máis difuso. Cada mecanismo ofrece unha solución específica ao problema de crear unha cor brillante ou combinación de cores visible desde distintas direccións.
miniatura|esquerda|upright=0.5|Debuxo de microestruturas "en abeto" nunha escama da á da bolboreta Morpho
Unha rede de difracción construída con capas de quitina e aire dá lugar ás cores iridescentes de varias escamas de ás de bolboreta así como das plumas da cola de aves como o pavón. Hooke e Newton estaban no certo cando afirmaban que as cores do pavón se creaban por interferencia, pero a estrutura responsable, ao estar preto da lonxitude de onda da luz en escala (ver micrografías), era menor que as estruturas estriadas que eles podían ver usando os microscopios ópticos da súa época. Outro modo de producir unha rede de difracción é colocando a quitina cunha disposición en forma de árbore, como nas escamas das ás dalgunhas bolboretas Morpho tropicais de brillantes cores (ver imaxe). Aínda existe ademais outra variante na ave do paraíso Parotia lawesii. As bárbulas das plumas da mancha do seu peito de rechamantes cores teñen forma de V, creando microestruturas de película delgada que reflicten fortemente dúas cores distintas, azul-verde brillante e laranxa-amarelo. Cando a ave se move a cor cambia abruptamente entre esas dúas cores, en vez de variar de forma cambiante iridescentemente. Durante o cortexo, o macho destas aves fai sistematicamente pequenos movementos para atraer ás femias, así as estruturas deberon ter evolucionado por medio de selección sexual.
Os cristais fotónicos poden formarse de diferentes xeitos. Na bolboreta Parides sesostris con mancha esmeralda, os cristais fotónicos están formados por conxuntos de buracos de tamaño nanométrico na quitina das escamas das ás. Os buracos teñen un diámetro duns 150 nanómetros e están separados aproximadamente á mesma distancia. Os buracos están dispostos regularmente en pequenas áreas; as áreas veciñas conteñen conxuntos con diferentes orientacións. O resultado é que estas escamas con áreas esmeralda reflicten a luz verde uniformemente a diferentes ángulos en vez de ser iridescentes. No gurgullo do Brasil Lamprocyphus augustus o exoesqueleto de quitina está cuberto de escamas ovais verdes iridescentes. Estas conteñen retículos de cristais baseados nunha estrutura tipo diamante orientados en todas as direccións para dar unha brillante coloración verde que apenas varía co ángulo. As escamas están divididas en píxeles dunha anchura de aproximadamente un micrómetro. Cada píxel é un só cristal e reflicte a luz nunha dirección diferente da dos seus veciños.The Photonic Beetle: Nature Builds Diamond-like Crystals for Future Optical Computers . Biomimicry News, 21 de maio 2008.
miniatura|Coloración estrutural por medio de espellos selectivos na bolboreta Papilio palinurus Os espellos selectivos para crear efectos de interferencia nas escamas das ás da bolboreta Papilio palinurus están formados por pociños con forma de cunca de tamaño micrométrico tapizados con múltiples capas de quitina. Estes actúan como espellos moi selectivos para dúas lonxitudes de onda da luz. A luz amarela reflíctese directamente polos centros dos pociños; a luz azul reflíctese dúas veces polos lados dos pociños. A combinación aparece como cor verde, mais pode ser considerado como un conxunto de puntos amarelos rodeados de círculos azuis baixo o microscopio.