Los científicos transforman las plumas de pavo actual en pequeños rayos láser biológicos

Tl; dr: Los científicos han estado fascinados por los colores vibrantes y las estructuras intrincadas que se encuentran en las plumas de las aves como el pavo pavo indio (comúnmente conocido como el pavo actual). Un nuevo estudio ha arrojado luz sobre una propiedad sorprendente de estas plumas icónicas de cola: su capacidad para actuar como pequeños resonadores láser cuando se infunde con un tinte fluorescente común.

La investigación, realizada por investigadores de varias universidades estadounidenses y publicado en la naturaleza, se propuso explorar el comportamiento de las barbules de plumas de pavo actual: estructuras microscópicas que ayudan crear Las famosas manchas de ojos brillantes del pájaro, cuando se tratan con el tinte láser, Rhodamine 6G. El objetivo period determinar si la luz emitida a partir de estas plumas teñidas revelaría concepts sobre la estructura biológica subyacente, y si los cristales fotónicos coloridos en las plumas mismas podrían servir como mecanismos de retroalimentación para producir luz láser.

Para realizar el experimento, los científicos obtuvieron plumas de pavo de pavo pure, los cortaron cuidadosamente para aislar el área de los manchas oculares y regiones específicas humeadas y secas repetidamente con una solución que contiene rodamina 6g. Este tinte es conocido por su brillante fluorescencia cuando se expone a la luz láser verde. Usando pulsos de un láser verde, el equipo iluminó las plumas preparadas y recolectó la luz emitida a través de un sistema de espectrómetro especializado.

(a) Ilustración de la sección transversal de una Barbula que se mancha repetidamente con una solución de tinte. (b) Configuración experimental para detectar la emisión de una pluma masculina de la cola de pavo india manchada con R6G.

Los resultados iniciales mostraron que simplemente manchar las plumas una vez no fue suficiente: la emisión de láser solo apareció después de varios ciclos de humectación y secado. Esto sugirió que tanto el tinte como el solvente deben penetrar profundamente en las Bárbulas y posiblemente alterar la microestructura para que el efecto se manifieste.

Cuando el láser estaba dirigido a diferentes partes del mochila, ya sea que parecieran azules, verdes, amarillos o marrones, los investigadores encontraron picos de emisión láser agudos y consistentes, especialmente a longitudes de onda de 574 nm y 583 nm. Estas líneas se destacaron contra la fluorescencia más amplia del tinte y aparecieron en todas las muestras de plumas y las regiones de coloration probadas, lo que indica un efecto repetible y estable.

Imagen del mapa de la pluma de una pluma de la cola de pavo rodeada de espectros de reflexión para cuatro regiones de coloration distintas. Cada espectro tiene dos inserciones, una imagen de microscopio de baja magnificación y una alta magnificación de esa región de coloration.

Los investigadores analizaron los espectros de emisión y descubrieron que el comportamiento láser observado no coincidía con las expectativas de los llamados láseres aleatorios, que generalmente surgen de entornos irregulares y altamente dispersos y generan líneas de emisión variables menos predecibles. En cambio, las plumas de pavo actual produjeron modos consistentes en longitudes de onda específicas, independientemente del coloration o estructura native, lo que llevó al equipo a concluir que el mecanismo de retroalimentación del láser no period el mismo que el responsable de los colores iridiscentes de las plumas.

Espectros de emisión de regiones marcadas (A-F) de la pluma de cola de pavo de pavo infundida con R6G.

El análisis avanzado de las líneas espectrales sugirió que la retroalimentación probablemente proviene de estructuras de mesoescala regulares, que persisten a lo largo del mochila, dentro de las barbulas de plumas, no de orden de cristal fotónico de largo alcance o caminos de dispersión dispersos al azar. El estudio descartó explicaciones alternativas, como los láseres de modo de galería de susurros, que requerirían cavidades circulares precisas que no se encuentren naturalmente en las plumas de pavo actual.

El efecto láser también requirió intensidades de bomba relativamente altas cercanas o justo por encima de las que se encuentran en experimentos láser aleatorios, pero la naturaleza estable y repetible de la emisión apunta a un orden subyacente en la microestructura biológica. Los resultados muestran colectivamente que los materiales policristalinos o heterogéneos naturales, una vez infundidos con las moléculas correctas y sometidos a un tratamiento apropiado, pueden revelar regularidades ocultas a través de la emisión de láser.

Espectro de emisión observado mientras bombea la región azul iridiscente de la pluma de la cola. Se usó un ajuste gaussiano de 4 picos para modelar el espectro de emisión.

Aunque las aplicaciones prácticas siguen siendo especulativas, los hallazgos sugieren una nueva forma de investigar la organización interna de materiales biológicos complejos midiendo sus espectros de emisión de láser después de la infusión de tinte. Usando esta técnica, algún día puede ser posible mapear o caracterizar motivos estructurales «ocultos», o cavidades, dentro de plumas y otros tejidos, abriendo oportunidades para la investigación en ciencia de los materiales, biofotónica y tecnologías láser bioinspiradas. Por ejemplo, Nathan Dawson de la Universidad Politécnica de Florida le dijo a ARS Technica que la investigación podría ayudar a crear láseres seguros y biocompatibles para uso interno en el cuerpo humano en la detección, las imágenes y la terapia.