Producción de color en materiales microestructurados naturales y artificiales

• Autores: Luna, Ana Eugenia
• Año de publicación: 2014
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Skigin, Diana Carina
• Materia: COLOR ESTRUCTURAL; IRIDISCENCIA; MULTICAPAS; CRISTALES FOTONICOS NATURALES; ALGORITMOS EVOLUTIVOS; STRUCTURAL COLOR; IRIDESCENCE; MULTILAYERS; NATURAL PHOTONIC CRYSTALS; EVOLUTION ALGORITHMS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las estructuras fotónicas naturales exhiben notables efectos de color como el aspectometálico y la iridiscencia. En este trabajo se investigan algunas de las microestructurasde este tipo que se han identificado en coleópteros, específicamente en los escarabajos dela especie Ceroglossus suturalis, que exhiben una coloración iridiscente y son endémicosdel extremo sur de América del Sur y del sur de Chile. Este fenómeno de iridiscencia seproduce por reflexiones múltiples de la luz dentro de la epicutícula del élitro (ala delanteramodificada por endurecimiento que encierra a las alas posteriores utilizadas en el vuelo),que es un sistema de multicapas alternadas de materiales de diferente densidad óptica. Por medio del empleo de técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), y a través del procesamiento de las imágenes y micrografías, se obtuvieronlos parámetros geométricos más relevantes de las microestructuras responsables del colorestructural en estos escarabajos, tales como el número de capas y sus espesores. Utilizandoun espectrofotómetro acoplado a fibra óptica se midieron los espectros de reflectanciay se obtuvieron los diagramas de cromaticidad para diferentes muestras, y bajo distintascondiciones de iluminación. Una vez confirmado el mecanismo físico involucrado enla producción de color en los especímenes estudiados, se aplicaron diferentes algoritmosde optimización para recuperar tanto la parte real como la imaginaria de la constantedieléctrica y los espesores de las capas de los materiales que componen el sistema naturalde multicapas. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de diferentes estrategiasde optimización heurística confirman que este tipo de algoritmos tiene un gran potencialcomo herramienta para investigar las estructuras fotónicas naturales. El estudio de la generación de color estructural en el mundo natural ya ha comenzado a inspirar el desarrollo de dispositivos artificiales con aplicaciones tecnológicas, tales como sensores inteligentesy nuevos tipos de filtros.
Natural photonic structures exhibit remarkable color effects such as metallic appearanceand iridescence. In this work, we investigate some of the microstructures of this kindthat have been identified in Coleoptera, specifically in the beetles of the species Ceroglossussuturalis, which exhibit an iridescent coloration and mostly live endemically in thesouthern end of South America and the south of Chile. This phenomenon of iridescenceis produced by multiple reflections of light within the epicuticle of their elytra (modifiedforewing of a beetle that encases the thin hind wings used in flight), which is a multilayersystem that alternates materials of different optical density. By means of scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy techniques, and after processing theimages and micrographs, the significant geometrical parameters of the microestructureresponsible for the structural color in these beetles, such as the number of layers and theirthicknesses, have been obtained. By using an optical fiber coupled spectrophotometer, reflectancespectra have been measured, and the chromaticity diagrams have been obtainedfor several samples under different illumination conditions. Once the physical mechanismunderlying the color production in the studied specimens was confirmed, different optimizationalgorithms have been applied to retrieve the real and imaginary parts of therelative permittivity of the materials comprising the natural multilayer system, as well asthe layers thicknesses. The results obtained by applying different heuristic optimizationstrategies confirm that this kind of algorithms have a great potential as a tool to investigate natural photonic structures. The study of structural color generation in the naturalworld has already started to inspire the development of artificial devices for technologicalapplications, such as smart sensors and new kinds of filters.
Fil: Luna, Ana Eugenia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.