Los retos actuales de la Física y Química del color

Transcripción

1 Los retos actuales de la Física y Química del color Francisco Miguel Martínez Verdú Grupo de Visión y Color, Departamento de Óptica, Farmacología y Anatomía, Facultad de Ciencias verdu@ua.es,

2 SUMARIO GVC-UA: equipo humano Color: interacción luz materia sistema visual humano Causas físico-químicas del color Sistema CIE (medida y especificación del color) Enfoque multi-escala (top down vs. bottom up) Impacto de la ciencia y tecnología del color Prospectivas inter y multidisciplinares del color Retos para la Facultad y UA Conclusiones

3 EQUIPO HUMANO Página web: 5 doctores 4 Física 1 Ing. Industrial 3 doctorandos 1 Ing. Textil (UPV) 1 Ing. Materiales (UdA-Colombia) 1 Ing. Materiales

4 COLOR COMO RESULTANTE DE Interacción Luz Materia Sistema Visual Escalas nano/micro (estructural) macroscópica Es un invento cerebral

5 15 CAUSAS FÍSICO-QUÍMICAS VIBRACIONES Y EXCITACIONES ATÓMICAS SIMPLES 1. Incandescencia: Sol, lámparas, arco-c, pirotecnia* 2. Excitaciones gaseosas: relámpago, pirotecnia*, aurora boreal, láseres* 3. Vibraciones y rotaciones: agua, hielo, yodo, cloro TRANSICIONES EN LA RED CRISTALINA TRANSICIONES ENTRE BANDAS DE ENERGÍA 8. Metales: cobre, oro, hierro, plata 9. Semiconductores puros: sílice, galena, diamante, cadmio 10. Semiconductores dopados: diamante, LED, fósforos TV 11. Centros de color: amatista, cuarzo ahumado 4. Compuestos metálicos: pigmentos, láseres* ÓPTICA GEOMÉTRICA / FÍSICA 5. Impurezas metálicas: rubí, esmeralda, colorantes TRANSICIONES ENTRE ORBITALES MOLECULARES 6. Compuestos orgánicos: tintes, coloración biológica* 7. Transferencia de carga: zafiro, magnetita, lapislázuli 12. Refracción y polarización: arco iris, halos 13. Difusión: azul-cielo, amanecer/atardecer, plumas azuladas*, ojos azules de los neonatos 14. Interferencias: aceite-agua, pompasjabón, alas de mariposa 15. Difracción: ópalo, LCD, redes de difracción

6 15 CAUSAS FÍSICO-QUÍMICAS Ciencia del color OCW UA (2009)

7 15 CAUSAS FÍSICO-QUÍMICAS Manipulación de la luz refracción, láser, óptica no lineal, etc. Absorción y transferencia de energía fototérmico, eléctrico, etc. Cambio de color estimulado termocromismo, iono, etc. Fenómenos de color Absorción y emisión luminiscencia, etc. Absorción y reflexión colorantes & pigmentos

8 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL COLOR Ciencia y Tecnología del Color: Estudio de las teorías y técnicas que sirven para diseñar, fabricar y medir objetos coloreados Se puede describir numéricamente un color? Sí Existen matemáticas en la Ciencia del Color Existen varios lenguajes de color y diccionarios entre ellos Los colores se pueden ordenar, comparar, Si dos colores no son exactamente iguales, cómo podemos igualarlos? Qué clase de colorantes (colores primarios) y cuánta cantidad de ellos debemos mezclar para conseguir un color determinado sobre un medio/soporte específico?

9 HISTORIA CIENCIA DEL COLOR 2000 AUDI2000 Apariencia visual de materiales DT = f(de, DG, DS,...) es la META

10 APARIENCIA DE MATERIALES: IMPACTO Existe una demanda creciente actualmente de controlar la apariencia visual en materiales $ era el valor estimado en 1999 de remesas rechazadas por NO ser aceptables visualmente (USA) Actualización 2014? Prospectiva próximos 10 años? Y para el sector automoción? Otros sectores?

11 MSc Tecnología del Color - Automoción

12 MSc Tecnología del Color - Automoción

13 MSc Tecnología del Color - Automoción

14 MSc Tecnología del Color - Automoción

15 ENFOQUE TEÓRICO ENFOQUE EXPERIMENTAL ENFOQUE BOTTOM-UP vs. TOP-DOWN Producción de luz, geometrías, pigmentos, color, brillo, sparkle, haze, etc. Coeficientes: Absorción K Esparcimiento S Propiedades físicas partículas: tamaño (D), forma, índice refracción, coef. extinción, polarizabilidad, etc Apariencia visual Teoría multi-flujo luz-materia Interacción entre partículas Modelos corpusculares interacción luz-materia Emisión SPD(l) Reflexión r(l) Transmisión t(l) Secciones eficaces: Q A (D, l) Q S (D, l) D tamaño

16 IMPACTO RECIENTE: NOBEL 2014 Nobel Física 2014: LEDs blancos (wled) Isamu Akasaki, Hiroshi Amano & Shuji Nakamura

17 IMPACTO FUTURO: NOBEL 2014 Nuevas tecnologías de producción de luz Solid State Lighting (SSL): OLEDs pulsados, libres de fósforos, flexibles, etc. 3D nanoestructurados, etc. BASF campaña: contribución invisible, efecto/éxito visible

18 Balance intermedio 1 GVC-UA: sinergias Desarrolla proyectos teóricos y aplicados donde la visión humana, como resultante de la interacción luz-materia-ojo, juega un papel importante en el control metrológico y de calidad visual de varios sectores industriales Interdisciplinar: Necesita la cooperación de varias disciplinas Física (Óptica), Química, Biología, Materiales, etc. Multidisciplinar: Aplicable a varios campos científico-tecnológicos

19 Prospectivas Colores estructurales sintéticos vs. naturales Pigmentos híbridos nanoestructurados Pigmentos funcionales termocrómicos, electrocrómicos, etc. Metamateriales coloreados

20 Colores estructurales Sólidos: absorción y reflexión de la luz en todas direcciones (esparcimiento) Aluminio (metalizados): micro-espejos con reflexión ajustada Interferencia (perlados): refracción y reflexión selectiva

21 Colores estructurales Pigmentos goniocromáticos

22 Colores estructurales Iriodin/Afflair Merck: Mica natural recubierta con TiO 2 o Fe 2 O 3 Xirallic Merck: Microláminas de Al 2 O 3 recubiertas con óxido metálico Colorstream Merck: Microláminas de SiO 2 recubiertas con óxido metálico Pyrisma Merck: Mica especial recubierta con óxido metálico

23 Colores estructurales Variocrom BASF: pigmentos ópticamente variables por deposición química al vapor ChromaFlair Flex: 5 capas con capas semitransparentes, dieléctricas y reflectantes opacas SpectraFlair Flex: microestructura superficial y capa opaca reflectante

24 Colores estructurales

25 Colores estructurales

26 Colores estructurales Efecto de la corteza Efecto del grosor Absorb. vs. Esparc.

27 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL Estructura 1-D: interferencias Estructura 2-D: interferencias + difracción Estructura 3-D: difracción cristalina Estructura amorfa: esparcimiento

28 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL

29 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL

30 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL

31 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL Biomimética usando estructuras nanofotónicas

32 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL Biomimética usando estructuras nanofotónicas

33 COLOR ESTRUCTURAL NATURAL Biomimética usando estructuras nanofotónicas

34 COLOR ESTRUCTURAL SINTÉTICO Biomimética usando estructuras nanofotónicas

35 COLOR ESTRUCTURAL SINTÉTICO Biomimética usando estructuras nanofotónicas

36 NANOESTRUCTURAS Biomimética usando estructuras nanofotónicas

37 NANOESTRUCTURAS Nanobiotecnología y nanomedicina

38 NANOMATERIALES HÍBRIDOS Inorgánico 1 + (inor 2) u orgánico 2

39 NANOMATERIALES HÍBRIDOS Pigmentos híbridos nanoestructurados en el GVC-UA colorante natural + hidrotalcita / montmorillonita / laponita colorante natural + haloisita sal metálica (inorgánico 1) + nanoarcilla (inorgánico 2)

40 NANOMATERIALES HÍBRIDOS DE* vs t(min) del Nature col Red LC NR HNR HSNR MNR MSNR Nano-bio-compuestos coloreados con bioresina y nanopigmentos naturales variando condiciones de síntesis con igual concentración Estabilidad color a UV-VIS del colorante Natural Red como nanopigmento Nano-bio-compuesto basado en bioresina y extracto de remolacha con 2 tipos de nanoarcillas y efecto mordiente (abajo)

41 PIGMENTOS FUNCIONALES Sustancia química (colorante) que sufre un cambio de color cuando se aplica un estímulo externo: cambio reversible vs. irreversible medida sin contacto con muestra fenómenos de estimulación: radiación UV VIS, Temperatura, corriente eléctrica, presión, vía agregación (excitónicos, etc.), acoplamiento plasmónico, cronocromismo biocromismo etc.

42 PIGMENTOS FUNCIONALES Manipulación de la luz refracción, láser, óptica no lineal, etc. Absorción y transferencia de energía fototérmico, eléctrico, etc. Cambio de color estimulado termocromismo, iono, etc. Fenómenos de color Absorción y emisión luminiscencia, etc. Absorción y reflexión colorantes & pigmentos

43 PIGMENTOS FUNCIONALES Manipulación de la luz fotónica, displays, óptica cuántica, etc. Absorción y transferencia de energía fotosíntesis, fotomedicina, etc. Cambio de color estimulado seguridad, edificios, etc. Tecnologías de color Absorción y emisión displays, iluminación, genómica, protenómica, etc Absorción y reflexión textiles, plásticos, pinturas, cosmética, impresión digital, etc

44 METAMATERIALES COLOREADOS Metamateriales con refracción negativa: muy escasos en la Naturaleza

45 METAMATERIALES COLOREADOS Metamateriales con refracción negativa:

46 BALANCE INTERMEDIO 2 Límite hacia abajo? Hasta dónde? Fronteras hacia arriba (macro-perceptual)? Neurociencia visual: color audición, color olfato, etc. PARA QUÉ? Salud, sostenibilidad (energía, alimentación, etc.), seguridad, valor económico y ético, etc. Taleb: cisne negro vs. gris Taleb: anti-frágil Innovación disruptiva? GVC-UA?

47 BALANCE INTERMEDIO 2

48 REFLEXIÓN ALÉGORICA Innovaciones disruptivas desde la UA? Desde la Facultad de Ciencias? Rankings universitarios CALTECH no. 1 Ranking < 200 para Química-UA cómo lo podemos mantener o superar? estamos preparados? cómo hacerlo?

49 RECURSOS INSTRUMENTALES Servicios Técnicos de Investigación: XPS, WDX, FRX, SEM, FT-IR, ATR, Raman, etc. Instrumentación avanzada pendiente elipsometría espectroscópica de ángulo variable constantes espectrales de absorción (K) y esparcimiento (S) a diferentes geometrías de medida (irradiación / observación) micro-espectrofotometría multi-ángulo tomografía computerizada de rayos X disposición transversal (3D) de nanomateriales, etc. microscopía interferométrica con luz blanca perfilómetro superficial 3D sin contacto con la muestra

50 RECURSOS HUMANOS La hibridación en organizaciones estimula la innovación, incluso la disruptiva

51 RECURSOS HUMANOS Círculo motivación + espirales de conocimiento Tiempo para reflexionar, talento por descubrir, etc. Zona de rendimiento óptimo cognitivo TFG, TFM, proyectos

52 RECURSOS HUMANOS Liderazgo situacional Evolución de equipos de alto rendimiento Aprendizaje informal Zona de rendimiento cognitivo óptimo Espirales de conocimiento

53 RECURSOS HUMANOS

54 CONCLUSIONES UA: empresa de conocimiento y formación de talento líderes, emprendedores, futuro del trabajo, etc. Ciencia vs. Tecnología vs. Retos Valor relativo de los retos (económico, etc.) Enfoque multi-escala (física y química color) Nueva gestión de RRHH: hibridación Marco normativo flexible y necesario para adaptarse a los nuevos retos del siglo XXI El tiempo corre en nuestra contra

55 CONCLUSIONES Conocimiento Talento emprendurismo, etc. RRHH hibridación, knowmad, trabajo en equipo, etc. I+D+i retos y prioridades Enfoques multi-escala bienestar, sostenibilidad

56 CONCLUSIONES Gandalf a Frodo en Moria (2 veces)

57 Los retos actuales de la Física y Química del color Francisco Miguel Martínez Verdú Grupo de Visión y Color, Departamento de Óptica, Farmacología y Anatomía, Facultad de