Colorear fuera de las líneas

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Para Mathias Kolle, las alas de una mariposa son una ventana a un mundo material mejor. La iridiscencia de los insectos es el resultado del “color estructural” más que de pigmentos o tintes: una sola ala está cubierta con cientos de miles de escamas microscópicas que actúan como pequeños reflectores, haciendo rebotar la luz desde varios ángulos y profundidades, para darle a las mariposas su color característico. y brillar.

Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, se sumerge en la microestructura de las alas de las mariposas y otros organismos ópticamente interesantes en busca de formas de replicar, e incluso mejorar, sus efectos estructurales de desviación de la luz. Él y sus estudiantes están diseñando materiales, inspirados en la naturaleza, que exhiben funciones ópticas avanzadas, incluidas láminas y fibras que cambian de color y que pueden integrarse en vendajes para monitorear la presión o atar en nudos de prueba de resistencia, así como gotas de fluido que amplifican la arcoíris.

Así como las mariposas reflejan todo el espectro de colores sin pigmentos ni tintes inherentes, Kolle imagina materiales como telas, fibras y fluidos que pueden diseñarse para generar colores sin productos químicos.

“Si se hace correctamente, los materiales se pueden colorear intrínsecamente solo por su estructura, sin agregar pigmentos o tintes químicos. De hecho, estos colores son mucho más brillantes de lo que se puede lograr con pigmentos únicamente”, dice Kolle, quien recientemente recibió la titularidad. "Es emocionante echar un vistazo a los numerosos ejemplos impresionantes de color estructural en la naturaleza y preguntar cómo podemos utilizar el conocimiento sobre las formas en que la naturaleza juega con la luz para dar funcionalidad a los materiales de maneras novedosas".

viendo la luz

Kolle nació y creció en Gera, una ciudad de la antigua Alemania del Este, donde sus padres trabajaban como químicos. En 1989, poco después de la caída del Muro de Berlín, recuerda haber cruzado por primera vez a Alemania Occidental.

“Yo tenía 7 años; Nuestros padres nos subieron a mi hermano y a mí al coche y cruzamos la frontera”, recuerda Kolle. “Mirando boquiabierto el escaparate de una juguetería, me sorprendió que los niños al otro lado de la pared tuvieran cosas como Mickey Mouse y autos Matchbox”.

Regresó de ese viaje con un recuerdo: un sencillo kit para cultivar cristales, que despertó su interés por la química y la ciencia. Más tarde, un profesor de secundaria, Gunnar Pietzko, despertó la curiosidad de Kolle por la física, con demostraciones de prismas y péndulos acoplados. Después de graduarse, Kolle decidió estudiar física en la cercana Universidad del Sarre, que eligió por la oportunidad de cruzar otras fronteras. La universidad impartía un programa de física en el que los estudiantes podían dividir su tiempo entre Sarre y la Universidad de Lorena en Francia, y ese mismo año había añadido una opción adicional para estudiar también en Luxemburgo, lugares que Kolle estaba interesado en explorar.

Durante el programa de cinco años, él y un puñado de otros estudiantes estudiaron y viajaron juntos entre las tres universidades.

“Éramos una comunidad unida de personas que saltábamos juntas de un país a otro”, dice Kolle. “Cada año teníamos que empezar de cero y encontrar nuestro camino en un lugar diferente que no conocíamos. Creo que fue una tremenda experiencia de aprendizaje”.

Durante sus estudios, Kolle también realizó una pasantía en los Países Bajos con el profesor Ulli Steiner, quien le permitió jugar con el color en los materiales.

“Ulli me dio una enorme libertad creativa. Estuve en su laboratorio, mezclando polímeros y creando materiales ópticamente interesantes, y me encantó”, dice Kolle. "Esa fue mi primera incursión en la manipulación de la luz con la estructura y la exploración de una ciencia apasionante y abierta".

Steiner se mudó a la Universidad de Cambridge y Kolle, que quería unirse a su laboratorio, se animó a escribir una propuesta para apoyar un proyecto de doctorado a través de una beca del Servicio Alemán de Intercambio Académico. Parte del trabajo de Steiner se centró en el uso de polímeros para generar color estructural, por lo que Kolle leyó sobre el tema al redactar su propuesta.

"Leí bastante sobre nanoestructuras que crean colores sin pigmentos y sobre animales que utilizan este truco sorprendentemente bien", dice Kolle. “Eso me enganchó”.

Cuando su propuesta fue aceptada, se mudó a Cambridge para comenzar su trabajo de doctorado en física, centrándose en el color estructural. Como parte de su tesis, Kolle comenzó a explorar los efectos ópticos creados por las escamas en la superficie de las alas de las mariposas. Se preguntó: ¿Podría fabricarse un material sintético que imitara el brillo estructural de la mariposa?

Hacia el final de su doctorado, Kolle pudo diseñar meticulosamente una estructura pequeña, cóncava y de múltiples capas similar a la arquitectura microscópica de la mariposa. Descubrió que algunas muestras parpadeaban de azul a verde, tal como lo hace el ala del insecto. Para su sorpresa, otras muestras pasaron del rojo al azul: un salto mucho más amplio en el espectro de luz visible que Kolle no esperaba. Después de algunos análisis, se dio cuenta de que esas muestras contenían una capa adicional de material no deseada que resultó mejorar el efecto óptico general de la estructura.

"Mostramos que hay formas de crear estas estructuras de mariposas en materiales sintéticos y, por casualidad, que se puede mejorar a partir de ahí para hacer algo que el organismo no puede hacer", dice Kolle. "Esa sigue siendo una filosofía que sigo con bastante fuerza hoy en día".

Un prisma de ideas

Después de terminar su doctorado, Kolle cruzó el océano hacia el otro Cambridge, donde con una beca de la Fundación Humboldt trabajó como postdoctorado en la Universidad de Harvard en el laboratorio de Joanna Aizenberg, quien estuvo a la vanguardia de la ingeniería de materiales avanzados y funcionales, inspirados en por estructuras y principios de la naturaleza. Después de tres años en su grupo, Kolle solicitó un puesto que resultó vacante en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

"El MIT me pareció emocionante", dice Kolle. "La actitud entusiasta del MIT de hacer que las cosas sucedan fue inspiradora".

En 2013, fue aceptado como miembro junior de la facultad y desde entonces ha creado un grupo de laboratorio y un programa de investigación que refleja una colorida gama de direcciones.

Él y sus alumnos han estudiado las estructuras microscópicas que dan lugar a efectos ópticos en varias especies de mariposas y moluscos, un proyecto en el que involucró a su hermano, un biólogo marino. Utilizando principios que observan en la naturaleza, han desarrollado materiales novedosos, como láminas y fibras fotónicas que cambian de color cuando se deforman. Han demostrado que estos materiales de color dinámico pueden integrarse en vendajes y usarse como sensores visuales de presión para optimizar la compresión aplicada a las extremidades en proceso de curación del paciente.

El equipo también ha explorado la óptica de gotas individuales y las formas en que una sola gota puede actuar como un pequeño microscopio para ampliar características muy pequeñas o crear colores sorprendentes. Y junto con colaboradores de Inglaterra y Austria, están intentando descifrar la interacción entre genética y biomecánica en el núcleo de la capacidad de las mariposas para formar nanoestructuras coloridas en sus escamas.

El grupo de Kolle también se divierte un poco con la óptica. En una visita reciente a su laboratorio, los estudiantes estaban probando una idea tentadora: ¿podrían hacer gotas comestibles de colores estructurales, tal vez para rociarlas en un cóctel o sobre pasteles para crear atractivos efectos ópticos y mejorar visualmente la experiencia culinaria? Kolle afirma que respaldar esta y otras ideas ha sido la clave del éxito de su grupo.

"La mayoría de las ideas a medias que comencé en el MIT sólo se volvieron viables porque mis estudiantes las tomaron y descubrieron cómo hacerlas geniales", dice Kolle. "Vieron algo que era posible y llevaron estas ideas a alturas que yo no podría haber imaginado".

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