Risolto il mistero del gambero bianco brillante – Physics World

Ricercatori in Israele hanno scoperto l'esclusiva nanostruttura ottica che conferisce a uno spazzino oceanico la sua brillante colorazione bianca. Utilizzando una serie di tecniche di imaging, un team guidato da Benjamin Palmer dell’Università Ben-Gurion del Negev, in Israele, ha dimostrato che le particelle sferiche nei gamberetti più puliti del Pacifico diffondono la luce in entrata in tutte le direzioni, evitando qualsiasi sovrapposizione nei modelli di diffusione che producono. La scoperta potrebbe portare a nuovi pigmenti bianchi di ispirazione biologica.

Molti organismi hanno sviluppato la capacità di manipolare la luce in modi unici e affascinanti. L'imitazione di questi meccanismi ha portato i ricercatori a nuovi progetti per diversi dispositivi ottici, tra cui lenti e specchi. Allo stesso modo, strutture come le ali delle farfalle e le piume degli uccelli hanno ispirato nuovi rivestimenti che producono colori vivaci attraverso la luce diffusa dalle loro nanostrutture.

Finora, tuttavia, un colore si è rivelato particolarmente difficile da produrre tramite questi mezzi strutturali, ovvero senza fare affidamento su pigmenti chimici. "Uno dei problemi più intriganti è la ricerca di alternative ai materiali inorganici che conferiscono alle vernici bianche e ai coloranti alimentari le loro tonalità biancastre", spiega il membro del team Dan Oron del Weizmann Institute of Science. “Questo perché il materiale inorganico più comunemente utilizzato in questi prodotti – la titanio nanocristallino – è sospettato di essere dannoso”.

Superare l'affollamento ottico

Il nocciolo del problema è che per generare tonalità bianche, i fotoni di tutte le lunghezze d’onda ottiche devono essere dispersi più volte, in modo tale da perdere completamente le loro informazioni direzionali. Perché ciò accada, le nanostrutture responsabili della diffusione devono essere molto fitte. Un imballaggio così stretto, tuttavia, crea il problema dell’“affollamento ottico”, in cui i modelli di scattering si sovrappongono, riducendo la riflettanza complessiva della struttura di scattering.

Nonostante queste sfide, un animale ha dimostrato che le complessità dell’affollamento ottico non sono insormontabili. Abitante delle barriere coralline dei tropici, il gambero pulitore del Pacifico è facilmente riconoscibile dalla sorprendente colorazione bianca delle sue antenne, della cuticola, della coda e della mascella, che riflettono fino all'80% della luce in arrivo.

Imaging e simulazione avanzati

Nel loro studio, Palmer e colleghi si sono concentrati sulle nanostrutture nelle cellule cromatofore dei gamberetti più puliti, note per essere responsabili della loro brillante tonalità bianca. Utilizzando una combinazione di microscopia crioelettronica e imaging ottico, hanno caratterizzato la struttura, l'organizzazione e le proprietà ottiche delle particelle di forma sferica che formano lo strato di dispersione all'interno delle cellule. Hanno inoltre utilizzato simulazioni numeriche della propagazione del campo elettromagnetico per comprendere la risposta ottica del mezzo di diffusione nel suo complesso.

L’analisi del team ha rivelato che queste particelle diffondono la luce in molte direzioni grazie alla struttura e alla disposizione uniche delle molecole piatte che costituiscono i loro elementi costitutivi. “Le particelle sono disposizioni cristalline liquide di queste molecole planari”, spiega Oron. "Tutte queste molecole sono disposte in modo tale che il loro lato piatto sia perpendicolare al raggio della sfera."

Nel complesso, questa struttura riduce significativamente la quantità di materiale necessario per far apparire bianche le antenne e le bande dei gamberetti. Ciò consente alle cellule cromatoforo dei gamberetti più puliti di eliminare gli effetti dell’affollamento ottico, alterando al tempo stesso la polarizzazione dei fotoni incidenti mentre si diffondono dalle particelle, distruggendo le loro informazioni direzionali. "In un certo senso, questa anisotropia ottica fa sì che l'insieme delle sfere diffonda la luce come se fossero costituite da un materiale con un indice di rifrazione più elevato di quello che hanno in realtà", spiega Oron.

Vernici bianche e coloranti alimentari più sicuri

I risultati sono un buon esempio di come le soluzioni evolutive di organismi come i gamberetti più puliti possano ispirare tecnologie ottimizzate. Imitando il meccanismo di anisotropia ottica dei gamberetti, il team di Palmer spera che i ricercatori negli studi futuri possano progettare nanostrutture organiche avanzate e ultra-bianche che siano sicure per l’uso in prodotti come vernici e coloranti alimentari.

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«Più in generale, i risultati evidenziano il ruolo che una forte anisotropia ottica può assumere come parametro di progettazione nella costruzione di dispositivi ottici artificiali, a patto di riuscire a padroneggiare la crescita di disposizioni cristalline simili delle giuste molecole organiche», conclude Oron.

La ricerca è descritta in Nature Photonics.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/