Primera celulosa fotónica iridiscente con aplicaciones ópticas

Los colores brillantes de algunas mariposas, escarabajos o pájaros no se deben a la presencia de pigmentos que absorben selectivamente la luz, sino a la denominada coloración estructural. Esta se produce en superficies que cuentan con una nanoestructuración con dimensiones similares a las de la longitud de onda de la luz incidente (típicamente por debajo de la micra).

Estas nanoestructuras ordenadas se conocen con el nombre de cristales fotónicos. Existe un gran interés en dotar a la celulosa, el polímero más abundante de la tierra, biocompatible y biodegradable, de estas estructuras, ya que le pueden conferir nuevas funcionalidades ópticas y electrónicas.

El estudio que se publica este lunes en Nature Photonics, liderado por el  investigador Agustín Mihi del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), consigue crear, por primera vez, cristales fotónicos y estructuras plasmónicas de un derivado de la celulosa mediante su nanoestructuración con la técnica de la litografía suave.

Al nanoestructurar de forma periódica la lámina de celulosa, ésta deja de ser transparente y comienza a reflejar colores intensamente dependiendo del patrón con la que se la ha moldeado.

Con esta nueva técnica, totalmente escalable, de bajo coste, y alternativa a la tradicional del autoensamblaje, se consigue dotar este polímero de una nanoestructura creando grandes áreas coloreadas, de gran calidad y reproducibilidad en un tiempo muy corto, y con un rango muy amplio de colores, sólo dependiendo de las morfología y tamaño de las estructuras creadas.

Una tinta fotónica

Celulosa fotónica. / Agustín Mihi/ICMAB

Estos cristales fotónicos se pueden imprimir sobre diferentes sustratos para dotar de propiedades fotónicas las superficies que no lo son. En este estudio, se imprimen sobre papel, lo que demuestra el potencial de esta tecnología como tinta fotónica, para aplicaciones en tintas de seguridad, embalaje o papel decorativo, o como sensores y etiquetas de bajo coste para la industria alimentaria o médica.

Si se recubren estas estructuras con una fina capa de metal, adquieren propiedades plasmónicas manteniendo su flexibilidad, y consiguiendo colores mucho más intensos y brillantes. Además, según el tipo de derivado de la celulosa, se puede variar su grado de biodegradabilidad y solubilidad en agua. Estas estructuras plasmónicas pueden emplearse como sensores desechables para la llamada emisión Raman o para aumentar la luz emitida por un colorante.

Los cristales fotónicos y las arquitecturas plasmónicas se utilizan en la óptica por su capacidad de manipular la luz. En este trabajo se consiguen esas interesantes propiedades ópticas en un material biocompatible y biodegradable, la cual cosa puede abrir nuevos campos de aplicación todavía inexplorados. El estudio ha sido financiado por el proyecto ENLIGHTMENT del Consejo Europeo de Investigación (ERC Starting Grant) y por el proyecto Severo Ochoa del ICMAB.

Referencia bibliográfica:

André Espinho, Camilla Dore, Cristiano Matricardi, María Isabel Alonso, Alejandro R. Goñi, and Agustín Mihi. "Hydroxypropyl cellulose Photonic arquitecturas by soft nanoimprinting lithography". Nature Photonics, abril de 2018.