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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
CENTRO DE FÍSICA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA
LICENCIATURA EN TECNOLOGÍA
QUINTO CONGRESO DE TECNOLOGÍA. 1 AL 3 DE JUNIO 2015
QB-03
Caracterización estructural y composicional de las alas de la especie
Morpho-menelaus menelaus
Itari Sánchez González1, María José Enciso Lópe2, Tatiana Álvarez Alvarado3, Dr. Mario
Enrique Rodríguez García4
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
La iridiscencia es un fenómeno que puede ser
observado en múltiples organismos y compuestos. La
mariposa Morpho - menelaus menelaus es conocida por
presentar esta característica. Con el propósito de crear un
material biomimético, capaz de imitar las propiedades de
dicha mariposa, y así sustituir los pigmentos actuales, se
han realizado investigaciones acerca de sus propiedades
físico-químicas. Dicha caracterización está basada en
estudios de espectrometría, observación en SEM, y
análisis en rayos X.
La iridiscencia es un fenómeno óptico que
consiste la descomposición de la luz dependiendo de
su ángulo de incidencia, y por lo tanto la coloración
del objeto varía. Ésta propiedad la podemos observar
tanto en sólidos inorgánicos como en diversos seres
vivos, entre ellos algas, aves y sobre todo insectos.
ABSTRACT
Iridescence is a phenomena that can be
observed in multiple organisms and objects. The
butterfly Morpho - menelaus menelaus, is well known by
representing this characteristic. With the purpose of
creating a biomimetic material, capable of imitating the
properties of the Morpho - menelaus menelaus and so
substituting nowadays pigments, research about its
physicochemical properties it is being done. This
characterization it is based on spectrometry studies, SEM
visualization, and X-ray analysis.
Palabras clave:
Iridiscencia. Pigmentos. M. menelaus. Color
estructural.
El género Morpho se refiere a un grupo de
mariposas que se caracteriza porque sus alas son
iridiscentes. Una de las más vistosas por su llamativo
color azul, es la especie M. menelaus menelaus. La
coloración de las alas de dicha especie se caracteriza
por ser un color estructural, en lugar de un pigmento,
esto se refiere a que tienen una estructura ordenada
(cristal fotónico) que refleja cierta longitud de onda.
La iridiscencia en la mariposa tiene diversas
funciones, una de ellas sirve como ventaja competitiva
en época de apareamiento con respecto a otros
especímenes, por otro lado para asegurar su balance
térmico la mariposa es capaz de reflejar ciertas
longitudes de onda.
El objetivo de éste trabajo es imitar la
estructura analizada para crear un material de película
delgada que reproduzca sus propiedades. Para
alcanzar dicho objetivo es necesario comprender su
funcionamiento y composición estructural.
______________________________________________
1
Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Universidad Nacional Autónoma de México Campus Juriquilla.
[email protected] Alumna 2do. Semestre Lic. en Tecnología
2
Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Universidad Nacional Autónoma de México Campus Juriquilla.
[email protected] Alumna 2do. Semestre Lic. en Tecnología
3
Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Universidad Nacional Autónoma de México Campus Juriquilla.
[email protected] Alumna 2do. Semestre Lic. en Tecnología
4
Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Universidad Nacional Autónoma de México Campus Juriquilla, Física,
Nanotecnología.
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estructura que forma en las escamas de la mariposa
MARCO TEÓRICO
M.menelaus, esto se debe a que posee una estructura
regular y simétrica.
Los colores de muchos animales y algunas
plantas, surgen por una interacción de la luz incidente
Para
resaltar
sus
propiedades
y
con nanoestructuras periódicas que reflejan ciertas
características, se ocupó un espécimen de Danaus
longitudes de onda, tal efecto es denominado color
plexippus (mariposa monarca, referida en éste
estructural. Los colores estructurales presentan
documento como DP) como espécimen control,
ventajas sobre la generación de color basada en
permitiendo así comparar los resultados y comprender
pigmentos, entre dichas ventajas se encuentran: el
la manera en que dichas estructuras influyen en el
control de brillo, saturación, direccionalidad y
comportamiento iridiscente de las alas de la M.
polarización.
menelaus.
La función de tales sistemas biológicos con
multicapas es ampliamente conocida, sin embargo a
pesar de los estudios realizados a ciertos organismos,
existen otros sistemas de colores estructurales que son
escasamente comprendidos, debido a la alta
complejidad morfológica de dichos sistemas
biológicos. La complejidad de un sistema puede
deberse a un gran número de factores, uno de ellos es
la existencia de uno o más subsistemas fotónicos de
índices refractivos compuesto por estructuras
periódicas desde una hasta tres dimensiones.
ANTECEDENTES
Los holococolitoforos son una especie de
alga recubierta por una capa protectora contra los
rayos ultravioleta, sin embargo a pesar de esto son
capaces llevar a cabo el proceso de la fotosíntesis
mediante la luz visible. De igual manera, el escarabajo
esmeralda posee estructuras cristalinas que le brindan
un brillo verdoso.
Las aves que poseen alas compuestas por
colores estructurales, cuentan con uno o dos diseños a
través de los cuales presentan variaciones en sus
índices de refracción: por la presencia de un espacio
arreglado o por la presencia de espacios de aire en una
matriz de queratina. Sin embargo, la geometría de
dicha sección es curvada, como un boomerang. Dicha
morfología fue identificada por microscopía
electrónica y reportada, pero no se le atribuyó ningún
efecto de manipulación en la luz o color, que se
esperaría fuera la razón de la periodicidad de melanina
y queratina.
METODOLOGÍA
Esta investigación se centra en la estructura
de las alas de la mariposa M. menelaus, (Referida en
éste documento como MM) originaria de centro y
Sudamérica. Las alas de ésta mariposa, están
conformadas por microestructuras de quitina. La
quitina es una macromolécula que pertenece al grupo
de las proteínas, su característica amorfa no afecta la
La primera investigación se realizó en el
Laboratorio de Espectroscopía en el CFATA. Las
medidas en el espectrofotómetro en un principio
fueron realizadas suponiendo una superficie lisa, por
lo que los resultados no fueron congruentes. Debido a
este fenómeno se procedió a medir el scattering, que
se refiere a la luz dispersada en distintas direcciones.
Para ésto se utilizó una esfera integradora.
La segunda etapa consistió en un análisis en
un microscopio electrónic de barrido. Al finalizar este
estudio fueron obtenidas imágenes que mostraban el
tamaño de las celdas así como las propiedades
morfológicas que le otorgan la propiedad iridiscente.
Como tercer rubro se realizó un análisis de
DRX. En este estudio fue comprobado que la
estructura de la mariposa está conformada
principalmente por quitina. Es importante resaltar que
para obtener una medición efectiva se debe colocar la
muestra en el sentido de las escamas.
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Espectrometría
Se analizaron las propiedades ópticas de las
alas. Al ser una estructura no lisa y especular la luz es
difractada en diferentes direcciones (dispersión), por lo
que la mayoría de información se dispersaba. La esfera
integradora fue la solución presentada.
En la Gráfica 1, se observan picos de
absorción en los 900 nanómetros, siendo ésta longitud de
onda perteneciente al infrarrojo cercano, considerando
que el espectro visible inicia en los 800 nm. Dichos
picos de absorción están presentes en ambas mariposas y
en ambas caras de la mariposa M. menelaus. Es posible
observar que mientras que la monarca refleja el espectro
visible, la cara iridiscente de la MM lo absorbe y a partir
de los 550 nm (color azul), sucediendo lo contrario con
la mariposa monarca.
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Gráfica 1- Reflectancia con esfera integradora, MM
(frente y tras) y DP
En la Gráfica 2, se observa que transmite todo lo que es
infrarrojo, sobre todo el lejano.
Figura A- Espécimen de MM
De igual forma se observó la morfología de las
alas de las alas de la mariposa DP y se compararon entre
sí.
En la Figura B vemos la comparación alas
MMy DP.
Gráfica 2- Reflectancia con esfera integradora,
MM frente y tras
Microscopía electrónica de barrido.
Teniendo como objetivo poder observar la
morfología de las alas de la mariposa MMmenelaus
(Figura A), se realizaron estudios de microscopía
electrónica de barrido.
Figura B- Muestras de alas de MM y DP
En la Figura C podemos observar la
morfología de las escamas de las alas de la MM por el
lado iridiscente a 500 aumentos y en la Figura D a 10
000 aumentos, donde observar el ordenamiento
específico que tiene su estructura, similar a una rejilla de
difracción.
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Figura C- Escamas MM lado iridiscente
Figura F- Estructura de rejilla presente en la escama
de la MM del lado opaco
Las siguientes figuras corresponden al
espécimen Danaus plexippus. Se incluyen tomas de la
parte frontal como de la trasera a 500 y 10 000
aumentos.
Figura D- Estructura de rejilla presente en la escama
de la MM del lado iridiscente
En la Figura E podemos ver la morfología de
las escamas de las alas de la MM por el lado opaco a 500
aumentos y en la Figura D a 10 000 aumentos.
Figura E- Escamas MM lado opaco
Figura G- Escamas DP frente
Figura H- Estructura de rejilla presente en la escama
de la DP frente
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Figura I- Escamas DP tras
Gráfica 3- Difracción de RX de MM, Frente no
coincidente con haz, Frente coincidente, Tras y parte
negra
CONCLUSIONES
Las especies iridiscentes, son parte un contexto
muy específico en el que se catalogan por poseer
estructuras que les permiten tener cierta manipulación
sobre la luz y el color. Las mariposas Morpho menelaus
menelaus, tienen alas conformadas por quitina, a pesar
de ser una macromolécula amorfa, ésta presenta un
acomodo cristalino que le otorga la propiedad
iridiscente.
Figura J- Estructura de rejilla presente en la escama
de la DP tras
Las micrografías mostraron la coincidencia
entre el tamaño de las rejillas de quitina que forma el ala
y la longitud de onda de la luz que interacciona con ella
para producir iridiscencia. Este resultado demuestra que
las propiedades iridiscentes están proporcionadas por la
forma de dicha estructura así como de su tamaño.
También pudimos comparar la estructura de
las alas de MM y DP y observamos que del lado no
iridiscente de la primera y de ambos lados de la segunda
son muy parecidos. El mismo comportamiento se
observó para el caso de los resultados del espectro.
Difracción de Rayos X
En la Gráfica 3 se observa que los picos de difracción
coinciden con los presentados por la quitina, sin
embargo para que resultara visible la muestra se tuvo
que colocar de modo que la trayectoria seguida por los
rayos X tuviera la misma orientación que las escamas.
Los resultados obtenidos a través de SEM
como espectroscopía permitieron comprobar que las
longitudes de onda reflejadas coinciden con las medidas
de las celdas observadas en microscopía, celdas
presentan marcadas diferencias con las celdas de las alas
de la DP.
Con los datos obtenidos, podemos observar la
viabilidad para obtener un material biomimético a partir
de las alas de MM que tendría aplicaciones potenciales
en el reemplazo de pigmentos.
REFERENCIAS
Pete Vukusic. (-). Structural Colour: Elusive
Iridescence Strategies Brought to Light. -, 51, 2.
12/01/2015, De Scientific American Base de datos.
Quintero-Torres R, Aragón JL, Torres M,
Estrada M, Cros L. (2006) Strong far-field coherent
scattering of ultraviolet radiation by
holococcolithophores .Centro de Física Aplicada y
Tecnología Avanzada, Instituto de Física Aplicada,
Científicas, Institut de Ciències del Mar, Centre
Mediterrani d’Investigacions Marines i Ambientals. (16
de Noviembre de 2014)
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Corral Aguirre, Juan (2013) Cristales
fotónicos: una armadura en las alas de las mariposas. La
Ciencia y el Hombre, Vol. XVI, No. 1. Universidad
Veracruzana. [Recurso en línea]Recuperado de
http://www.uv.mx/cienciahombre/revistae/vol16num1/ar
ticulos/cristales/cristales.htm(16 de Noviembre de 2014)
Consejo Superior de Investigaciones
Científicas. (---). Microscopia electrónica FE-SEM. 1711-14, de Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Sitio web:
http://www.icmm.csic.es/divulgacion/posters/TECMicroscopia%20Electronica%20de%20Barrido.pdf
Xiang-Yao Wua.
(01/12/2012). Transmission Character of
General Function Photonic Crystals. -, -, 8. 03/01/2015,
De Institute of Physics,
Jilin
Normal University, Siping 136000, China Base de datos.
INFORMACIÓN ACADÉMICA
Tatiana Álvarez Alvarado, estudiante de Tecnología
en el Centro de Física Aplicada y Tecnología
Avanzada de la UNAM. Actualmente cursando el
segundo semestre.
María José Enciso López, estudiante de Tecnología
en el Centro de Física Aplicada y Tecnología
Avanzada de la UNAM. Actualmente cursando el
segundo semestre.
Itari Sánchez González, estudiante de Tecnología en
el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada
de la UNAM. Actualmente cursando el segundo
semestre.
Mario Enrique Rodríguez García Estudió la
licenciatura en Física en la Universidad del Quindio en
Colombia, la maestría en Física en la Universidad
Autónoma de San Luis Potosí y el doctorado en Física
en el CINVESTAV del IPN. Realizó dos
posdoctorados, uno en el CINVESTAV y uno en la
Universidad de Toronto, Canadá. Es especialista en
Fisicoquímica de alimentos, propiedades ópticas de
materiales semiconductores y propiedades termoelectrónicas de los materiales, nivel 3 del SNI e
investigador de la UNAM desde 2001
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