Color estructural y birrefringencia en películas de celulosa nanocristalina

Posted on 7 octubre, 2021 by Karina Galache

Categories: ,

Película de celulosa nanocristalina exhibiendo color estructural (foto del autor).

 

Por lo general, el color puede deberse a pigmentos o ser de origen estructural. Este último se produce por la interacción de la luz con estructuras periódicas (cristales fotónicos) dando lugar a fenómenos de interferencia o difracción. En la naturaleza, el color estructural se presenta en ópalos, plumas de aves, plantas y la cutícula de insectos. Es un tipo de color que posee un brillo de apariencia metálica y que cambia con el ángulo de visión (iridiscencia). En la cutícula de escarabajos como el mayate (Cotinis mutabilis), fibrillas del biopolímero quitina se orientan preferencialmente en seudoplanos. Esta orientación entre seudoplanos consecutivos rota continuamente describiendo una hélice izquierda caracterizada por un período o pitch. Tal disposición se conoce como estructura de Bouligand y es el análogo en estado sólido de la fase nemática quiral de cristal líquido. La periodicidad de la estructura permite que luz de una longitud de onda proporcional al pitch sea reflejada intensamente. Al ser una estructura helicoidal izquierda, la luz reflejada tendrá polarización circular izquierda también. Este fenómeno se conoce como reflexión selectiva de Bragg. El biomimetismo óptico del color estructural es un tema de investigación actual.

La celulosa es un biopolímero natural que se encuentra en forma de fibrillas semicristalinas, es decir, con regiones cristalinas y amorfas. Las plantas son la fuente más común de celulosa, pero también se encuentra en algas y algunas bacterias la producen. Los nanocristales de celulosa se pueden extraer mediante hidrólisis ácida; empleando ácido sulfúrico además de disolver las regiones amorfas, se obtienen nanocristales cargados negativamente debido a grupos sulfato en su superficie. Esta característica permite la formación de suspensiones acuosas que, dependiendo de la concentración de nanocristales pueden ser isótropas, bifásicas o anisótropas. La última corresponde a la fase nemática quiral de cristal líquido.

Recientemente, mi estudiante de doctorado Olga Rubi Juárez Rivera, la auxiliar de investigación Reina Araceli Mauricio Sánchez del Cinvestav-Querétaro y quien esto escribe, en colaboración con los investigadores Kenneth Järrendahl y Hans Arwin de la Universidad de Linköping de Suecia, reportamos la fabricación de películas birrefringentes y quirales a partir de una misma suspensión de nanocristales de celulosa extraídos de papel filtro . El método consiste en depositar una gota de suspensión sobre vidrio portaobjetos y con otro portaobjetos distribuir la suspensión a lo largo del sustrato. Usando una suspensión recién preparada se obtienen películas birrefringentes, en otras palabras, dos índices de refracción uno (extraordinario) para polarización paralela a la dirección de depósito y otro (ordinario) en la dirección perpendicular. Almacenando la suspensión por varias semanas en un vial cerrado bajo condiciones ambientales, su viscosidad disminuye considerablemente. Tal efecto se atribuye a una redistribución de cargas alrededor de los nanocristales en suspensión con el tiempo, debido al incremento de la fuerza iónica por la pérdida de grupos sulfato en su superficie. Ello decrece la repulsión efectiva entre nanocristales promoviendo la formación de la fase nemática quiral de cristal líquido, misma que es retenida en las películas depositadas. La obtención de este tipo de películas reflejando luz circular izquierda y transmitiendo luz circular derecha en una configuración plana, permite vislumbrar aplicaciones en diversos dispositivos ópticos como lo pueden ser sensores colorimétricos de humedad y heterouniones ópticas, entre otros.

 

Referencia

  1. R. Juárez-Rivera, R.A. Mauricio-Sánchez, K. Järrendahl, H. Arwin, A. Mendoza-Galván, Nanomaterials 11, 2239 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11092239

 

Color estructural y birrefringencia en películas de celulosa nanocristalina - Avance y Perspectiva
Película de celulosa nanocristalina exhibiendo color estructural (foto del autor).

 

Por lo general, el color puede deberse a pigmentos o ser de origen estructural. Este último se produce por la interacción de la luz con estructuras periódicas (cristales fotónicos) dando lugar a fenómenos de interferencia o difracción. En la naturaleza, el color estructural se presenta en ópalos, plumas de aves, plantas y la cutícula de insectos. Es un tipo de color que posee un brillo de apariencia metálica y que cambia con el ángulo de visión (iridiscencia). En la cutícula de escarabajos como el mayate (Cotinis mutabilis), fibrillas del biopolímero quitina se orientan preferencialmente en seudoplanos. Esta orientación entre seudoplanos consecutivos rota continuamente describiendo una hélice izquierda caracterizada por un período o pitch. Tal disposición se conoce como estructura de Bouligand y es el análogo en estado sólido de la fase nemática quiral de cristal líquido. La periodicidad de la estructura permite que luz de una longitud de onda proporcional al pitch sea reflejada intensamente. Al ser una estructura helicoidal izquierda, la luz reflejada tendrá polarización circular izquierda también. Este fenómeno se conoce como reflexión selectiva de Bragg. El biomimetismo óptico del color estructural es un tema de investigación actual.

La celulosa es un biopolímero natural que se encuentra en forma de fibrillas semicristalinas, es decir, con regiones cristalinas y amorfas. Las plantas son la fuente más común de celulosa, pero también se encuentra en algas y algunas bacterias la producen. Los nanocristales de celulosa se pueden extraer mediante hidrólisis ácida; empleando ácido sulfúrico además de disolver las regiones amorfas, se obtienen nanocristales cargados negativamente debido a grupos sulfato en su superficie. Esta característica permite la formación de suspensiones acuosas que, dependiendo de la concentración de nanocristales pueden ser isótropas, bifásicas o anisótropas. La última corresponde a la fase nemática quiral de cristal líquido.

Recientemente, mi estudiante de doctorado Olga Rubi Juárez Rivera, la auxiliar de investigación Reina Araceli Mauricio Sánchez del Cinvestav-Querétaro y quien esto escribe, en colaboración con los investigadores Kenneth Järrendahl y Hans Arwin de la Universidad de Linköping de Suecia, reportamos la fabricación de películas birrefringentes y quirales a partir de una misma suspensión de nanocristales de celulosa extraídos de papel filtro [1]. El método consiste en depositar una gota de suspensión sobre vidrio portaobjetos y con otro portaobjetos distribuir la suspensión a lo largo del sustrato. Usando una suspensión recién preparada se obtienen películas birrefringentes, en otras palabras, dos índices de refracción uno (extraordinario) para polarización paralela a la dirección de depósito y otro (ordinario) en la dirección perpendicular. Almacenando la suspensión por varias semanas en un vial cerrado bajo condiciones ambientales, su viscosidad disminuye considerablemente. Tal efecto se atribuye a una redistribución de cargas alrededor de los nanocristales en suspensión con el tiempo, debido al incremento de la fuerza iónica por la pérdida de grupos sulfato en su superficie. Ello decrece la repulsión efectiva entre nanocristales promoviendo la formación de la fase nemática quiral de cristal líquido, misma que es retenida en las películas depositadas. La obtención de este tipo de películas reflejando luz circular izquierda y transmitiendo luz circular derecha en una configuración plana, permite vislumbrar aplicaciones en diversos dispositivos ópticos como lo pueden ser sensores colorimétricos de humedad y heterouniones ópticas, entre otros.

 

Referencia

  1. R. Juárez-Rivera, R.A. Mauricio-Sánchez, K. Järrendahl, H. Arwin, A. Mendoza-Galván, Nanomaterials 11, 2239 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11092239

 

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.

*
*