Embora a nossa compreensão dos objetos coloridos seja dominada pelo papel dos pigmentos e corantes, o mundo natural faz amplo uso da nanotecnologia para produzir cores vívidas, frequentemente acrescentando-lhes um efeito arco íris. Os mecanismos envolvem interferência construtiva e destrutiva da luz - isto é referido como cor estrutural. Esta é a melhor maneira de obter um branco brilhante ou um ultra negro. Cores estruturais podem ser produzidas por cristais fotónicos altamente periodicos (como nas asas das borboletas), e também por "amorfas, ou quase-ordenadas, nano-estruturas dieléctricas onde existem correlações locais, mas pouca ordem de longo alcance" (como nas penas dos pássaros).
Nano-estruturas que produzem a plumagem "brilhantemente" colorida de algumas aves, como o azul das penas do macho Eastern Bluebird, têm uma estrutura como esponja. (Foto: Ken Thomas, fonte aqui)
As cores das penas resultam da presença de um material esponjoso com bolhas de ar de tamanho nanométrico. Em linguagem técnica, os efeitos visuais são criadas pela "dispersão da luz pela beta-queratina esponjosa e por nanoestruturas de ar no interior das células medulares das ramificações das penas das aves". Uma equipe interdisciplinar de investigação analisou as penas de vários pássaros e testou várias hipóteses para a formação de cor. Eles são a favor de um modelo de separação de fases:
"Eles compararam as nanoestruturas a exemplos de materiais que passam pela separação de fases, em que as misturas de diferentes substâncias tornam-se instáveis e separadas umas das outras, tal como as bolhas do dióxido de carbono que se formam quando o é removida a tampa de uma bebida com gás. Eles descobriram que as estruturas que produzem as cores nas penas parecem auto-montarem-se da mesma maneira. Bolhas de água formam-se numa sopa rica em proteínas dentro da célula viva e são substituídas por ar à medida que a pena cresce. "
Eles identificaram duas classes distintas de nano-estruturas: morfologias de canal e morfologias esféricas. A partir de trabalhos anteriores, eles descobriram que essas nano-estruturas são alheias à filogenia e concluíram que as "nanoestruturas de canal e esféricas evoluíram de forma independente em muitas linhagens de aves".
A fim de formar padrões de plumagem reconhecíveis e reproduzíveis, é necessário para o desenvolvimento da nano-estrutura, que seja controlada de uma forma precisa durante o desenvolvimento da pena. Isto não é tarefa fácil. Baseados no modelo de separação de fases, eles são capazes de esclarecer as implicações para a gestão do processo.
"Neste modelo, as aves desenvolvem nano-estruturas que produzem cor, ao controlar o processo combinado de separação de fases e de prisão cinética com três variáveis: as taxas de expressão de beta-queratina, polimerização beta-queratina, e filamentos entrecruzados".
Há dois pontos dignos de nota aqui. O primeiro diz respeito à complexidade do processo e ao potencial de Biomimética. Os investigadores falam da complexidade e elegância. Auto-montagem pode ocorrer - mas apenas sob condições estreitamente controladas de engenharia. Assim, o contexto para a auto-montagem é o do design inteligente.
"Descobrimos que a natureza auto-monta de forma elegante intrincadas estruturas ópticas nas penas das aves. Estamos agora simulando esta abordagem para fazer uma nova geração de materiais ópticos no laboratório."
O outro ponto diz respeito à narrativa fantasiosa darwinista relativa às cores das penas das aves. Muitos sugeriram que as cores das penas apontam para a aptidão. As investigações recentes separam de uma forma clara a teoria darwinista adaptacionista dos dados empíricos.
"Muitos biólogos pensam que a cor da plumagem pode codificar informações sobre qualidade - basicamente, que um macho mais azul é um melhor parceiro de acasalamento", disse Richard Prum, presidente do Departamento de Ecologia e de Biologia Evolucionária e um dos autores do documento. "Essa informação teria de ser codificados na pena à medida que as bolhas crescem. Acho que a nossa hipótese de que a separação de fases está envolvida prevê menos oportunidade para a codificação de informações sobre a qualidade do que aquilo que a maioria dos biólogos pensavam. Ao mesmo tempo, é emocionante pensar sobre outras formas como as aves poderiam estar usando a separação de fases. "
Self-assembly of amorphous biophotonic nanostructures by phase separation
Eric R. Dufresne, Heeso Noh, Vinodkumar Saranathan, Simon G. J. Mochrie, Hui Cao and Richard O. Prum
Soft Matter, Online 30 March 2009, DOI: 10.1039/b902775k
Algumas das cores mais vivas, no reino animal, não são criadas por pigmentos, mas pela dispersão selectiva da luz através de nano-estruturas. Aqui nós investigamos nano-estruturas quase-ordenadas da plumagem das penas das aves que produzem cores vivas sem um efeito de arco iris. A beta-queratina e nanoestruturas de ar são encontradas em duas morfologias básicas: tortuosos canais e corpos de esferas amorfos. Cada classe de nano-estrutura é isotrópica e tem uma escala de comprimento característica acentuada de variação na composição. Estas correlações de estruturas locais conduzem a uma forte dispersão através de uma estreita gama de frequências ópticas e a pouca variação no ângulo de incidência. Tais propriedades ópticas desempenham papéis importantes na comunicação social e sexual. Para serem eficaz, as aves necessitam de controlar precisamente o desenvolvimento destas estruturas à escala nanométrica, apesar de ainda pouco se saber sobre a forma como elas crescem. Nós supomos que múltiplas linhagens de aves tenham evoluído de forma convergente para explorarem a separação de fases e a detenção cinética para auto-montarem nano-estruturas esponjosas que produzem cor na pluma das penas. As nano-estruturas das aves são extremamente semelhantes às auto-montados durante a separação das fases de misturas de fluidos; as morfologias em forma de canal e de esfera são características da separação de fases pela decomposição "spinodal" e nucleação e crescimento, respectivamente. Estas estruturas instáveis são fixadas pela detenção cinética da matriz de beta-queratina, provavelmente através do emaranhamento ou inter-ligação das fibras beta-queratina supermoleculares. Usando o poder de auto-montagem, as aves podem realizar uma gama diversificada de morfologias nanométricas com relativamente pequenas alterações físicas e químicas durante o desenvolvimento da pena.
Ver também:
Bird Feathers Produce Color Through Structure Similar to Beer Foam, Yale University Office of Public Affairs (April 2, 2009)
Tyler, D. Optimal design for brilliant whiteness in a beetle, (ARN Literature blog, 20 January 2007)
(por David Tyler)
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