L’interazione tra composizione, morfologia e apparenza è alla base dei sistemi fotonici biologici e può esserci d’esempio nella progettazione di nanotecnologie di frontiera. Mathias Kolle, neoprofessore al Massachusetts Institute of Technology, cerca ispirazione nella natura per costruire strutture ottiche metamorfiche. Imitando la struttura del frutto “Margaritaria nobilis”, Kolle realizza una fibra fotonica elastica la cui risposta ottica dipende dalla trazione o compressione esercitata. Si tratta di un materiale biomimetico in grado di manipolare la luce su scala nanoscopica (un miliardo di volte inferiore al metro).

La ricerca di strutture ottiche nei sistemi biologici ha origine antiche (risale agli studi di Isaac Newton sulle piume del pavone all’inizio del Settecento), ma è solo con lo sviluppo della nanofotonica, alla fine degli anni Ottanta, che le tecniche sperimentali di microscopia elettronica ne rendono possibile l’approfondimento. Si mostra come il colore, oltre a provenire dalla presenza di pigmenti, può essere originato da nanostrutture presenti negli strati di rivestimento esterni di un corpo. Si parla in questo caso di “colore strutturato”, riferendosi alla capacità di un materiale di interagire con la luce a livello nanoscopico. A creare i colori strutturati in natura sono materiali quali guanina, chitina e cellulosa, che si organizzano spontaneamente in complesse architetture in cui le spaziature tra i vari “blocchi” sono paragonabili alla lunghezza d’onda della luce. Gli esempi più conosciuti sono le piume del pavone, le ali della farfalla “morfo blu”, il carapace di certi coleotteri, le squame dei pesci, gli opali. In tutti questi casi il colore ci appare di una brillanza maggiore rispetto a quello originato dai pigmenti e la sua intensità non svanisce col tempo. Da un punto di vista evolutivo, queste strutture nascono dalla differenziazione di forme e colori negli animali successive alla comparsa del primo occhio, circa 515 milioni di anni fa. Il colore diventa allora da mutazione spontanea selettivamente neutra, un potente mezzo di comunicazione nei meccanismi di predazione e di riproduzione. Un processo simile è avvenuto nel mondo vegetale, a partire da circa 150 milioni di anni fa con la comparsa delle angiosperme (piante dotate di fiore), ma in maniera completamente indipendente. Ovvero, tecnicamente, “piante ed animali hanno avuto un’evoluzione convergente”, spiega Beverly Glover, evoluzionista alla Cambridge University e direttrice del Giardino Botanico. A prima vista sorprendente, questo dipende dal fatto che “l’ultimo antenato comune a questi due mondi era una singola cellula”.

Anche il colore si è evoluto in maniera indipendente: piante e animali hanno raggiunto effetti simili, ma sfruttando materiali ed architetture diverse. “Negli animali si tratta di multistrati a indice di rifrazione variabile”, spiega Glover, un meccanismo, per intenderci, molto simile a quello che si osserva nelle bolle di sapone. “Nei fiori, invece, si tratta di reticoli di diffrazione creati dalla cuticula, un biopolimero di chitina e cera, che fornisce al petalo la caratteristica impearmeabilità”. Questo reticolo è responsabile ad esempio dell’iridescenza che vediamo alla base del petalo del “Tulipano nero”, e che crea un effetto analogo a quello che si ottiene inclinando alla luce un Cd. Mentre i fiori sfruttano reticoli, i frutti utilizzano fibre di cellulosa. Silvia Vignolini, fisica alla Cambridge University, studia i fenomeni ottici nei fiori e nei frutti analizzandoli con microscopi ottici ed elettronici. Tra le sue recenti scoperte, la “Pollia condensata” (nella foto in alto): una pianta africana il cui frutto, una bacca, genera un colore blu iridescente grazie ad un multistrato di cellule trasparenti presenti nell’epicarpo. La forte colorazione è dovuta a fibre di cellulosa organizzate in strutture molto simili a quelle dei cristalli liquidi nei nostri moderni schermi Lcd. Questi producono una riflessione responsabile del colore intenso e iridescente del frutto. Nei laboratori di Cambridge sono riusciti a riprodurre questa struttura sfruttando gli stessi materiali utilizzati in natura: nanofibre di cellulosa che si autoaggregano in sistemi stratificati. Si tratta di un progresso rivoluzionario nel campo della biomimetica in quanto la cellulosa è il biomateriale più diffuso sul pianeta. Estraendo le nanofibre dalla corteccia di eucalipto, i ricercatori sono in grado di riprodurre un colore iridescente blu che imita la risposta ottica del frutto. Nanotecnologia, dunque, ma con materiali bio. “Tra le possibili applicazioni”, dice Silvia Vignolini, “coloranti atossici per alimenti, codici di sicurezza per banconote, vernici”. Questi materiali potrebbero un giorno sostituire i “make-up fotonici”, realizzati dalla l’Oreal Paris su ispirazione di strutture iridescenti naturali attraverso un multistarto di nanoparticelle di mica e silice.