Occhi di falena, ali di farfalla, piume di pavone!

In un mondo variopinto come il nostro, non è sorprendente constatare che i colori prodotti da moltissime specie viventi abbiano attratto l’attenzione di giganti della scienza come Newton e Rayleigh, nei secoli passati, e spinto gli scienziati moderni a cercare di riprodurli con le più sofisticate tecnologie. Già 300 anni fa Newton aveva capito che i colori brillanti ed iridescenti che caratterizzano il corpo e le ali di molti uccelli o insetti, non sono il prodotto di specifici pigmenti ma piuttosto il risultato di complesse strutture che riflettono la luce: “Le piume finemente colorate di alcuni uccelli, e in particolare quelle delle code dei pavoni, fanno sì che le piume appaiano di più colori a seconda della posizione da cui vengono osservate, in modo analogo a quello che fanno lamelle molto sottili … e il colore risulta quindi dalla sottigliezza delle parti trasparenti delle piume” (Newton, 1704, Trattato sull’ottica). In generale i dispositivi ottici disponibili in Natura sono dovuti a complicate strutture submicromiche con dimensioni di circa 100 volte più piccole del diametro di un capello; ovviamente fintanto che queste strutture vengono “fabbricate” da piante ed animali, il gioco sembra semplice. In realtà la maggior parte delle volte che l’uomo tenta di replicare qualche meraviglia naturale perde pressoché in partenza; le perfette e complicatissime “macchine biologiche” che la Natura ha costruito nel corso degli anni, infatti, sono praticamente irriproducibili, soprattutto a costi accettabili.

Fino ad ora i tentativi di “replica” dei dispositivi ottici disponibili tra le specie animali sono stati rivolti alla riproduzione della struttura piuttosto che delle dimensioni. Alcuni insetti ad esempio dispongono di superfici anti-riflesso sia negli occhi, per vedere in condizioni di poca luce come nel caso delle falene, sia sulle ali, per massimizzare la capacità di camuffamento riducendo il riflesso delle strutture alari trasparenti come nel caso delle sfingi, una famiglia di insetti Lepidotteri. Nelle cornee delle falene e delle farfalle nello specifico, c’è una matrice esagonale di noduli cilindrici con le punte arrotondate, disposti con una periodicità di circa 240 nm [1]; se l’occhio umano riflette circa il 4% della luce che lo colpisce, l’occhio di una falena ne riflette solo lo 0.1% grazie proprio a queste nanostrutture oculari regolari, caratterizzati da  piccoli “dossi” di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda della luce visibile e quindi in grado di sopprimerne la riflessione.

Anche dall’ottica preistorica si può imparare molto: un dispositivo anti-riflettente diverso da quello trovato negli occhi delle falene è stato scoperto nella cornea di una mosca di 45 milioni di anni fa, rimasta intrappolata in uno strato di ambra del Baltico [2]; questa struttura, costituita da una griglia sinusoidale con periodicità 250 nm, è particolarmente utile quando la luce arriva sulla superficie perpendicolarmente. Gli scienziati sono fino ad ora riusciti a costruire con successo superfici ad “occhio di falena” anti-riflettenti (oggi ottenibili con elevata precisione usando una tecnica di incisione con fascio di elettroni) da utilizzare nelle vetrate degli edifici, nelle lenti e in vari materiali plastici [3], ma soprattutto in campo militare, per esempio nella riduzione del riflesso nelle lenti dei binocoli. E in aggiunta sono state create anche superfici di pannelli solari ad “occhio di mosca preistorica” utilizzando tecniche olografiche che, diminuendo efficacemente la porzione della luce solare riflessa, hanno consentito di aumentare del 10% l’efficienza di cattura dell’energia [4].

Come aveva notato il perspicace Newton, molti uccelli, insetti, pesci e altri organismi marini poco conosciuti sfruttano poi nanostrutture fotoniche sulla loro superficie per cambiare colore e diventare iridescenti o apparire “metallici”; queste strutture creano effetti ottici molto più marcati di quelli prodotti semplicemente da colorazioni della cute o delle piume, e servono per attirare potenziali partner o spaventare i predatori. Un tipo di nanostruttura che determina iridescenza sono i cristalli fotonici, materiali ordinati che controllano la propagazione della luce consentendo il passaggio attraverso i cristalli solo di alcune lunghezze d’onda [5], come gli “opali” (allineamenti esagonali o quadrati di sfere di 250 nm) o gli “opali inversi” (allineamenti esagonali di “buche” simili per forma e dimensione alle sfere degli opali, immerse in una matrice solida). I Lepidotteri in particolare, a cui appartengono circa 100.000 specie di farfalle e falene, sono gli insetti con la più elevata diversità di cristalli fotonici e sottostrutture ottiche tridimensionali [6]. Tra queste specie, le farfalle Morpho, tipiche del centro e sud America, sono il gruppo più studiato e “imitato”. Da tempo si sa che le ali delle farfalle sono costituite da piccole scaglie (100 micrometri di lunghezza per 50 micrometri di larghezza) disposte in due o più strati sovrapposti sulle membrane alari, come le tegole nei tetti; in ogni millimetroquadro di ala si ritrovano 200-500 scagliette che contengono le strutture responsabili del colore. Le ali delle farfalle Morpho contengono tipicamente due strati di scaglie di chitina, che determinano una struttura ad “albero di Natale”: una base di scaglie blu brillanti per generare il colore e un altro strato sovrapposto, fatto di scaglie trasparenti o azzurre a seconda della direzione lungo cui vengono osservate, per disperdere la luce; i due diversi tipi di scaglie differiscono non solo per il colore ma anche per le dimensioni del reticolato e le sub-microstrutture dei bordi.

Le prime ali di farfalla Morpho artificiali sono state realizzate utilizzando ali originali come substrato solido, creando varie strutture periodiche funzionalizzate con diversi ossidi di metalli (ossido di zinco, ossido di alluminio, ossido di zirconio, ossido di titanio e ossido di tungsteno) [7]. Uno dei problemi principali però è che la replica di un’ala intera piuttosto che delle singole scagliette costituenti le strutture responsabili del colore è nettamente più complessa e soggetta ad interferenze; ogni ala, come detto, contiene sia molti strati di scaglie sovrapposti con dimensioni, spessore e micro-strutture distinte, ma anche molte parti “ridondanti” come le membrane alari che alterano le proprietà ottiche delle scaglie. Poiché varie le tipologie di scaglie hanno differenti proprietà ottiche e svolgono per questo funzioni diverse nel complesso dell’ala intera, sono proprio le singole scaglie e le loro risposte ai diversi angoli di incidenza della luce a necessitare di uno studio approfondito. Nel 2011 un gruppo di ricercatori della Shanghai Jiao Tong University ha così replicato per la prima volta le singole unità, creando copie delle scaglie della farfalla Morpho con ossido di zinco e ottenendo proprietà ottiche identiche a quelle delle originali [8]. Si può immaginare una specie di processo di fossilizzazione ricreato in laboratorio, dove le scaglie hanno fatto da stampo per la creazione di una copia dell’originale, ma con tempistiche decisamente più brevi rispetto comuni alle ere geologiche necessarie per la formazione dei fossili.

Come si è detto precedentemente però, imitare le strutture naturali è spesso una sfida persa in partenza; esistono, infatti, molte nano-architetture ottiche così complesse che risultano irriproducibili, a basso costo, con le attuali tecniche ingegneristiche. In questi casi l’unica soluzione è affidarsi alla biotecnologia, sfruttando il fatto che le piante e gli animali sono benissimo in grado di costruire ciò che noi non sappiamo ricreare. Lasciamo quindi che il lavoro “sporco” sia svolto da altri! Gli animali e i vegetali nello specifico hanno delle cellule di dimensioni di 10 micrometri e 100 micrometri rispettivamente; sebbene le strutture che vengono prodotte dalle singole cellule siano in genere di taglia simile alla cellula stessa, spesso presentano sotto-strutture decisamente più piccole (sui 100 nm)  perfette per la produzione di dispositivi ottici su nanoscala. Ovviamente non tutte le cellule viventi si prestano ad essere coltivate in laboratorio con successo; le cellule di mammiferi richiedono incubatori per mantenere una specifica temperatura, mentre le cellule di insetti possono essere coltivate più agevolmente a temperatura ambiente. Inoltre è necessario fornire alle cellule un supporto solido idoneo allo sviluppo dei dispositivi ottici desiderati. Al momento ci si sta focalizzando su colture cellulari di scaglie di farfalla isolate dalle crisalidi; le cellule idonee vengono identificate,separate, mantenute in coltura, supportate su matrici polimeriche e addizionate con ormoni della crescita per fabbricare con successo singole scaglie del tutto identiche a quelle originali.

Le applicazioni più immediate per questi dispositivi ottici derivanti dagli insetti,  soprattutto dalle farfalle, sono in tantissimi settori, dalle pitture alla stampa, dai vestiti ai cosmetici; e più recentemente, nella lotta alla contraffazione [9] … i cui risultati ovviamente sono top secret!

CHIARA

Riferimenti

[1] Miller et al., in The Functional Organisation of the Compound Eye (ed. Bernhard C. G.). 21–33 (Pergamon Press, Oxford, 1966).

[2] Parker et al. Solar-absorber type antireflector on the eye of an Eocene fly (45Ma) Proc. R. Soc. Lond. B 265, 811–815 (1998)

[3] Gale, M. Diffraction, beauty and commerce. Phys. World 2, 24–28 (October, 1989).

[4] Beale, B. Fly eye on the prize. The Bulletin 46–48 (25 May 1999).

[5] Lopez, C. Three-dimensional photonic band-gap materials: semiconductors for light J. Opt. A 8,

R1–14 (2006).

[6]  Vukusic et al. Nature,  404, 457 (2000).

[7] Cook et al., Angew. Chem.,Int. Ed., 2003, 42, 557, (2003). Zhang et al., Bioinspir. Biomimetics, 1, 89 (2006). Zhang et al., Nanotechnology, 17, 840, (2006).

[8]Gu  et al. ZnO single butterfly wing scales: synthesis and spatial optical anisotropy. DOI: 10.1039/c1jm10678c J. Mater. Chem (2011).

[9] Berthier et al. Multiscaled polarization effects in Suneve coronata (Lepidoptera) and other insects: application to anti-counterfeiting of banknotes Appl. Phys. A 86, 123 (2007).