LA FÍSICA DEL COLOR
El Espectro Electromagnético y los Plasmones
DESLIZA PARA CONTINUAR
¿Alguna vez has notado que los colores de un objeto parecen transformarse bajo diferentes luces?
Después de ver esto, reflexiona, si un objeto es rojo ¿siempre lo verás rojo?. La respuesta no es tan simple como parece: la luz es la clave.
Pensando en una analogía muy burda, podríamos entender el color considerando un mensaje, un tipo de mensaje de los que ahora podemos llamar “antiguos”: ¡una carta!
¿Qué elementos requerimos?, esto es bien conocido, requerimos un remitente, destinatario y la carta (por supuesto).
En este caso, el remitente sería el objeto y la luz que interactúa con este
El destinatario (o receptor) sería nuestro ojo, o bien una cámara u otro instrumento que permita medir color y la carta sería la luz que una vez ha interactuado con el objeto, es recolectada por el destinatario.
De la misma manera que el contenido de una carta depende de lo que el remitente escriba, la interacción de la luz con el objeto depende del espectro de luz y por tanto de esto depende el contenido de la carta
Así es fácil comprender por qué al cambiar la fuente de luz, cambia el “color” de los objetos. Las fuentes de luz se pueden describir mediante un espectro, bueno, de hecho ¡también los colores!
La radiación es una forma de energía que la óptica describe mediante ondas electromagnéticas
Piensa en una pecera con agua a la cual lanzas una pequeña piedra… ¿observas esos rizos que se forman en el agua?, bueno, la radiación también es una onda pero lo que oscila es un campo eléctrico y uno magnético. Al variar el tamaño de la oscilación (longitud de onda), tenemos radiación en diferentes regiones del espectro electromagnético, algunas regiones en las que nuestros ojos no pueden ver como los rayos X , el infrarrojo o el ultravioleta y otra región en la cual sí podemos ver.
A esa región que nuestros ojos pueden observar, la hemos llamado: espectro visible electromagnético, es decir la LUZ
En otras palabras, el espectro visible es una figura que representa a qué color de luz corresponde cierta longitud de onda, como observamos en la imagen:
En este punto se preguntarán, ¿qué es un nanómetro?
Debido a que la longitud de onda del espectro visible está en el rango de los nanómetros, es importante que entendamos esto. Considera un pelo humano, ¿es muy delgado verdad?, pues qué tal si te digo que el grosor de un pelo humano mide entre 80,000 y 100,000 nanómetros, dependiendo de la persona.
Dicho de otra manera, si alineáramos 100 000 nanopartículas de 1 nanómetro una tras otra, obtendríamos algo apenas comparable al grosor de un solo cabello. Ahora que tienes esta imagen en mente, imagina: ¿qué tan pequeña es la longitud de onda de la luz visible? (estamos hablando de magnitudes entre 380 y 780 nanómetros). La luz que pueden ver nuestros ojos se encuentra entre esas longitudes de onda. ¡Qué te digo!, afortunadamente, gracias a la ciencia, hemos desarrollado tecnología que permite observar en otras regiones del espectro electromagnético.
Todo esto te lo platicamos porque ahora vamos a hablar del color, recuerda que todo comenzó por eso. ¡El color tiene asociado un espectro!
En el laboratorio, es posible medir el espectro causado por la reflexión de la luz al llegar a un material y de esta manera determinamos algunas propiedades de él. A esto le llamamos: ESPECTRO DE REFLEXIÓN.
Ya aprendimos algunas cosas sobre la luz visible y la radiación. Recuerda: la luz es radiación electromagnética cuya longitud de onda está en el rango entre 380 y 780 nanómetros, rango llamado visible.
Resulta que hay colores primarios, colores que podemos sumar o restar para generar cualquier color conocido
Probablemente ya conocías estos colores primarios en el arte o dibujo, pues ahí son comúnmente usados como los primarios, aunque debo confesarte algo: ¡estos no son los verdaderos colores primarios en los pigmentos, es decir en la sustracción de colores (resta de colores).
Hace algunos años se dieron cuenta de esto, en el siglo XX, ¿y sabes por qué?, fue en esa época que la ciencia y la tecnología dieron grandes pasos . . . permitiendo la generación de colores artificiales.
Observa que en el centro no se alcanza a generar el color negro
Y dime tú si no, ¿a poco no tiene sentido que si en la suma de color obtenemos blanco en el centro, en resta obtengamos negro en el centro?
Así observaron que los veraderos colores primarios de los pigmentos son el cyan, amarillo y el magenta. (CMY por sus siglas en inglés, Cyan, Magent, Yellow).
De hecho, son estos colores los que se utilizan como base en las impresoras a color para generar ¡cualquier color!
Aunque para facilitar un poco más las cosas, se les ocurrió añadier el negro a estos pigmentos en la imprenta (llamados CMYK por sus siglas en inglés Cyan, Magenta, Yellow and Key).
Y bueno, en la mezcla aditiva de colores...
Los colores primarios son el rojo, verde y azul (llamados RGB por sus siglas en inglés, Red, Green and Blue).
¿Y cómo se generan los colores? Hay diversas formas puede ser por pigmentación o por estructuración
Sin importar si es por pigmentación o por estructuración, para describir el color es importante entender las acciones físicas: la interacción de la luz con el material del cual está formado un objeto y la interpretación del que recibe ese resultado (el observador).
Ya que estamos hablando de la luz, es muy importante comprender que cuando la luz interactúa con un material, puede pasar lo siguiente:
La luz es reflejada, refractada, absorbida, transmitida o bien esparcida por el material. Quizá algunas de estas cosas te suenen conocidas y otras no…
Para diferenciar el esparcimiento y la absorción de la luz, vamos a precisar algunas cosas
Observa la foto del centro y de la derecha, hay un frasco de vidrio con agua y unas gotas de leche, la leche esparce la luz, dicho de otro modo . . . La leche está constituida por partículas que cuando la luz del láser llega a ellas causan que la luz se vaya en todas direcciones y a eso le llamamos esparcimiento de la luz.
En cambio, en la absorción, lo que ocurre es que una parte de esa luz que llega es absorbida por el material , por ejemplo: el pavimento que se encuentra en la calle absorbe más los rayos del sol que la tierra y por eso se calienta más.
De hecho, si pones mucha atención, un día podrás notar que el aire circundante al pavimento (al estar más caliente), genera un efecto de “espejismo” porque el aire caliente refracta distinto la luz . . . ¡ah caray!, ¿a qué hora hablamos de eso?. En este punto ya te habrás dado cuenta que hay muchas cosas relacionadas a la luz y que podemos platicarte un montón, pero por ahora nos interesa entender un poco más el color.
¡Ufas!, ya casi llegamos a nuestro destino, por fin: el Color Estructural
Óyeme, ¿has visto las mariposas?, son hermosas.
Bueno, pues te cuento que los bellos colores que ves, tienen una explicación científica bien interesante.
P.D. Hemos tenido mucha suerte porque nos encontramos una mariposa muerta y nos sirvió para observarla al microscopio y mostrarte estas bellas fotos.
Esta micro y nanoestructuración es la que ocasiona que al interactuar la luz con sus alas (dependiendo del ángulo de incidencia de la luz), observemos colores muy variados
Como ya irás adivinando, a esto le llamamos: color estructural (¡estructural eh!, NO escultural XD).
Cuando vemos un vitral iluminado por el sol, lo que vemos no es solamente el vidrio coloreado, sino un fenómeno que viene de lo más pequeño de la materia
En la Edad Media, los artesanos habían descubierto, de manera empírica que, al mezclar pequeñas partículas de metales como oro o plata dentro del vidrio, el material adquiría colores intensos y brillantes. Lo sorprendente es que, dependiendo del tamaño y del material de la partícula, la vibración produce distintos colores. Así, el rojo profundo de muchos vitrales antiguos no viene de un tinte añadido, sino de nanopartículas de oro que, al interactuar con la luz, devuelven ese resplandor tan característico. Todo esto debido a la existencia de los plasmones localizados y de superficie.
Lo fascinante es que la naturaleza utiliza trucos parecidos
Las alas de algunas mariposas azules, como la Morpho, no deben su color a pigmentos, sino a estructuras nanométricas que manipulan la luz.
La idea de un sensor de colores plasmónicos puede sonar abstracta, pero imagina dispositivos que cambian de color cuando algo en su entorno varía y que se puede leer incluso con la cámara de un celular.
Glucosa en sangre. Por ejemplo para medir glucosa en la sangre, un pequeño sensor cambia de color según el nivel de glucosa y el teléfono lo interpreta, como si fuera un semáforo que avisa cuándo todo está bien o cuándo hay que tomar precauciones.
Calidad del aire. En ciudades contaminadas, nanopartículas diminutas podrían cambiar de tono si detectan sustancias dañinas en el aire. La señal aparece de inmediato en la pantalla del celular: un aviso claro y directo, sin necesidad de aparatos voluminosos.
Frescura de los alimentos. ¿Alguna vez dudaste si el pescado todavía está bueno para comer? Un empaque inteligente podría teñirse de otro color al detectar gases de descomposición, avisando que el alimento ya no está fresco.
Temperatura. En lugar de un termómetro tradicional, imagina un parche que se pega a la piel y que cambia de color con la temperatura del cuerpo. Basta con mirarlo para saber si hay fiebre o no, sin complicaciones.
Metales pesados en agua. En zonas donde la calidad del agua es incierta, un sensor puede volverse de un color distinto si detecta plomo o mercurio. Solo se necesita la cámara de un celular para confirmarlo
Desde lo que vemos a simple vista hasta lo que ocurre en la nanoescala, la física del color explica cómo la luz interactúa con la materia y cómo esa interacción determina lo que percibimos.
Autoría
Dr. Víctor Manuel Coello Cárdenas | vcoello@cicese.mx
Dra. Citlalli Teresa Sosa Sanchez | csosa@cicese.mx
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