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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» en lugar 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 en diferentes ángulos y profundidades, para dar a las mariposas su color característico. y espumoso.
Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, profundiza en la microestructura de las alas de las mariposas y otros organismos ópticamente interesantes en busca de formas de replicar, o incluso mejorar, sus efectos estructurales de flexión de la luz. Él y sus alumnos diseñan materiales, inspirados en la naturaleza, que exhiben funciones ópticas avanzadas, incluidas láminas que cambian de color y fibras que pueden incrustarse en vendajes de control de presión o unirse a nudos de prueba de resistencia., así como gotas que fluyen que amplifican el arcoíris.
Así como las mariposas reflejan el espectro de colores completo sin pigmentos o tintes inherentes, Kolle imagina materiales como telas, fibras y fluidos que pueden diseñarse para generar color sin productos químicos.
«Si se hace correctamente, los materiales pueden colorearse inherentemente simplemente por su estructura, sin agregar ningún pigmento químico o tinte. De hecho, estos colores son mucho más brillantes de lo que se puede lograr con pigmentos solos», explica Kolle, quien recientemente obtuvo la titularidad. «Es emocionante echar un vistazo a los muchos ejemplos sorprendentes de color estructural en la naturaleza y preguntarse cómo podemos usar el conocimiento sobre las formas en que la naturaleza juega con la luz para dar funcionalidad a los materiales de una manera innovadora».
mira la luz
Kolle nació y se crió en Gera, una ciudad de la antigua Alemania Oriental, donde sus padres trabajaban como químicos. En 1989, poco después de la caída del Muro de Berlín, recuerda haber entrado en Alemania Occidental por primera vez.
“Tenía 7 años; nuestros padres nos pusieron a mi hermano ya mí en el auto y cruzamos la frontera”, recuerda Kolle. «Mirando el escaparate de una tienda de juguetes, me sorprendió que los niños del otro lado de la pared tuvieran cosas como Mickey Mouse y Matchbox».
Regresó de este viaje con un recuerdo: un sencillo kit de cristalización, 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 de Saarland, que eligió por la oportunidad de cruzar otras fronteras. La universidad tenía un programa de física en el que los estudiantes podían dividir su tiempo entre Saarland y la Universidad de Lorraine en Francia, y ese año había agregado una opción adicional para estudiar también en Luxemburgo, lugares que Kolle quería explorar.
Durante el programa de cinco años, él y un puñado de otros estudiantes estudiaron y viajaron juntos entre las tres universidades.
“Éramos esta comunidad muy unida de personas que saltaban juntas de un país a otro”, dice Kolle. “Cada año teníamos que empezar de cero y encontrar nuestro camino a un lugar diferente que no conocíamos. Creo que fue una gran experiencia de aprendizaje.
Durante sus estudios, Kolle también hizo 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. Estaba en su laboratorio, mezclando polímeros y creando materiales ópticamente interesantes, y me encantó”, dice Kolle. «Fue mi primera incursión en la manipulación de la luz con estructura y en la exploración de una forma emocionante y ciencia abierta».
Steiner se mudó a la Universidad de Cambridge y Kolle, queriendo unirse a su laboratorio, se animó a escribir una propuesta para apoyar un proyecto de doctorado con 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 profundizó en el tema al escribir su propuesta.
«He leído bastante sobre nanoestructuras que crean color sin pigmentos y animales que usan este truco maravillosamente», dice Kolle. «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 hacerse un material sintético para imitar el brillo estructural de la mariposa?
Hacia el final de su doctorado, Kolle pudo diseñar meticulosamente una pequeña estructura cóncava de varias capas similar a la arquitectura microscópica de la mariposa. Descubrió que algunas muestras cambiaban de azul a verde, al igual que el ala del insecto. Otras muestras, para su sorpresa, cambiaron de rojo a azul, un salto mucho mayor en el espectro de luz visible que Kolle no esperaba. Después de algunos análisis, se dio cuenta de que estas muestras contenían una capa adicional de material no deseado que mejoraba el efecto óptico de la estructura general.
«Hemos demostrado que hay formas de hacer estas estructuras de mariposa con materiales sintéticos y, por alguna coincidencia, que puedes mejorar a partir de ahí para hacer algo que el organismo no puede», explica Kolle. «Todavía es una filosofía que sigo con bastante fuerza hoy».
Un prisma de ideas
Después de completar su doctorado, Kolle cruzó el océano hacia el otro Cambridge, donde, gracias a una beca de la Fundación Humboldt, trabajó como becario postdoctoral en la Universidad de Harvard en el laboratorio de Joanna Aizenberg, quien estuvo a la vanguardia de la investigación avanzada. ingeniería funcional de materiales, inspirada en las estructuras y principios de la naturaleza. Después de tres años en su grupo, Kolle solicitó un puesto que quedó vacante en el departamento de ingeniería mecánica del MIT.
“El MIT fue emocionante para mí”, dice Kolle. «La actitud entusiasta del MIT para hacer que las cosas sucedan fue inspiradora».
En 2013, fue aceptado como miembro junior de la facultad y desde entonces ha establecido un grupo de laboratorio y un programa de investigación que refleja una colorida gama de direcciones.
Él y sus alumnos estudiaron las estructuras microscópicas que dan lugar a los efectos ópticos en varias especies de mariposas y moluscos, un proyecto en el que participó su hermano, un biólogo marino. Utilizando principios que observan en la naturaleza, han desarrollado nuevos materiales, como láminas fotónicas y fibras que cambian de color cuando se deforman. Demostraron que estos materiales de color dinámico pueden incorporarse en vendajes y usarse como sensores de presión visual, para optimizar la compresión aplicada a las extremidades en proceso de curación de un paciente.
El equipo también exploró la óptica de las gotas individuales y las formas en que una sola gota puede actuar como un pequeño microscopio para ampliar características muy pequeñas o crear colores impresionantes. Y con colaboradores en Inglaterra y Austria, están tratando de descifrar la interacción entre la genética y la biomecánica en el corazón de la capacidad de las mariposas para formar nanoestructuras de colores 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 gotitas comestibles con colores estructurales que pudieran rociarse en un cóctel o en pasteles para crear efectos ópticos llamativos y mejorar visualmente la experiencia culinaria? Apoyar esta idea y otras, dice Kolle, ha sido clave para el éxito de su grupo.
«La mayoría de las ideas a medias que presenté en el MIT solo se volvieron viables porque mis estudiantes las tomaron y descubrieron cómo hacerlas geniales», dice Kolle. «Vieron algo que era posible y llevaron esas ideas a alturas que yo no podría haber imaginado».
