Un camaleón puede alterar el color de su piel para que se mezcle con el fondo para esconderse o se destaque para defender su territorio y atraer a una pareja. El camaleón hace que este truco parezca fácil, utilizando cristales fotónicos en su piel. Científicos, sin embargo, han luchado para hacer una "piel inteligente" de cristal fotónico que cambie de color en respuesta al medio ambiente, sin cambiar también de tamaño.

El periódico ACS Nano está publicando una investigación dirigida por químicos de la Universidad de Emory que encontró una solución al problema. Desarrollaron una piel inteligente y flexible que reacciona al calor y la luz solar mientras mantiene un volumen casi constante.

"Ver a un camaleón cambiar de color me dio la idea del gran avance, "dice el primer autor Yixiao Dong, un doctorado candidato en el Departamento de Química de Emory. "Hemos desarrollado un nuevo concepto para una piel inteligente que cambia de color, basado en observaciones de cómo lo hace la naturaleza ".

"Los científicos en el campo de los cristales fotónicos han estado trabajando durante mucho tiempo para intentar crear pieles inteligentes que cambien de color para una variedad de aplicaciones potenciales, como el camuflaje, etiquetas de detección química y antifalsificación, "agrega Khalid Salaita, autor principal del artículo y profesor de química de Emory. "Si bien nuestro trabajo aún se encuentra en las etapas fundamentales, hemos establecido los principios de un nuevo enfoque para explorar y desarrollar ".

Los coautores del artículo incluyen a Alisina Bazrafshan y Dale Combs (estudiantes de doctorado de Emory); Kimberly Clarke (becaria postdoctoral de Emory); y Anastassia Pokutta, Fatiesa Sulejmani y Wei Sun (del Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter de Georgia Tech).

Además de los camaleones, muchas otras criaturas han desarrollado la capacidad de cambiar de color. Las rayas de un pez tetra neón por ejemplo, cambian de índigo profundo a azul verdoso cuando nadan hacia la luz del sol.

La coloración en estos organismos no se basa en pigmentos, pero en partículas diminutas en un patrón repetido, conocidos como cristales fotónicos. La periodicidad de estas partículas hace que el material interfiera con las longitudes de onda de la luz. Aunque las partículas en sí son incoloras, el espaciado preciso entre ellos permite que ciertas ondas de luz pasen a través de ellos mientras rechazan otras. Los colores visibles producidos cambian dependiendo de factores como las condiciones de iluminación o cambios en la distancia entre las partículas. La iridiscencia de algunas alas de mariposa y las plumas de pavo real se encuentran entre muchos otros ejemplos de cristales fotónicos en la naturaleza.

Si pones fresas en una licuadora, Dong explica, el líquido resultante será rojo porque el color de las fresas proviene del pigmento. Si muelas alas de mariposa iridiscentes, sin embargo, el resultado será un polvo opaco porque los colores del arco iris no se basaron en pigmentos, sino en lo que se conoce como "color estructural". La estructura de las matrices de cristales fotónicos se destruye cuando se muelen las alas de las mariposas.

Para imitar a los camaleones y crear una piel inteligente artificial, Los científicos han experimentado con la incrustación de matrices de cristales fotónicos en polímeros que contienen agua, o hidrogeles. Expandir o contraer el hidrogel cambia el espacio entre las matrices, resultando en un cambio de color. El problema, sin embargo, es que la acción similar a un acordeón necesaria para generar un cambio visible en el tono hace que el hidrogel crezca o se reduzca significativamente de tamaño, provocando inestabilidad estructural y pandeo del material.

"Nadie quiere una capa de camuflaje que se encoja para cambiar de color, "Notas Salaita.

Dong estaba reflexionando sobre el problema mientras miraba videos de un camaleón en YouTube. "Quería entender por qué un camaleón no crece ni se hace más pequeño a medida que cambia de color, pero sigue siendo su tamaño original, " él dice.

En primer plano, imágenes pasadas de tiempo del camaleón cambiando de tonalidad, Dong notó que las matrices de cristales fotónicos no cubrían toda la piel, sino que estaban esparcidas dentro de una matriz oscura. A medida que los cristales fotónicos se volvieron de diferentes colores, estas manchas de color se mantuvieron a la misma distancia. Dong planteó la hipótesis de que las células de la piel que forman la matriz oscura se ajustaban de alguna manera para compensar los cambios en los cristales fotónicos.

"Me preguntaba si podríamos diseñar algo similar:una estructura compuesta de matrices de cristales fotónicos incrustadas en una matriz que se adapta a la tensión, "Dice Dong.

Los investigadores utilizaron imanes para organizar patrones de cristales fotónicos que contienen óxido de hierro dentro de un hidrogel. Luego integraron estas matrices en un segundo, hidrogel que no cambia de color. El segundo, El hidrogel elástico se emparejó mecánicamente con el primer hidrogel para compensar los cambios en las distancias entre los cristales fotónicos. Cuando se calienta, esta piel inteligente que se adapta a la tensión (SASS) cambia de color pero mantiene un tamaño casi constante.

Dong también probó el material a la luz del sol. fabricar películas SASS en forma de pez, en homenaje al neón tetra, así como en forma de hoja. Cuando se expone a la luz solar natural durante 10 minutos, las películas de SASS cambiaron de naranja a verde, sin cambiar de tamaño.

"Hemos proporcionado un marco general para guiar el diseño futuro de pieles inteligentes artificiales, ", Dice Dong." Aún queda un largo camino por recorrer para las aplicaciones de la vida real, pero es emocionante llevar el campo un paso más allá ".