Cuando mi hija estaba en Educación Primaria y se dedicaba a estudiar para algún examen le decía que se aprendiera todo lo relacionado con los conceptos principales, sus orígenes y aplicaciones, y para no hacer extensa la introducción, le comentaba que en el tema de trabajo artístico no solamente basta saber de lápiz, regla y crayón sino también el origen de los colores. Se me quedaba mirando y preguntaba ¿qué más debo saber de este lápiz de color rojo que se utiliza para dibujar y pintar cosas de color rojo?. En principio tenía razón, una niña de 10 años no tendría porqué saber que el rojo es una franja de radiación electromagnética que tiene un rango de longitud de onda entre 620 y 740 nanómetros en el visible!. Ahora ya está en la Universidad de Los Andes y sabe que debe estudiar Álgebra y saber todo lo relacionado con los símbolos: ∀ ∂ ∃ ∈ ∉ ∋ ∧ ∨ ∩ ∪ ∫ ⊂ ⊃ y pare de contar.

Tal vez en algún momento es necesario saber que la Física puede explicar muchas cosas que pasan a nuestro alrededor, por lo que en este post quisiera compartir en la gran comunidad #stem-espanol algunos detalles del
color natural y artificial de las "cosas"
, la diversidad de propiedades de los objetos y el efecto visual que percibimos, se trata de un tema científico, pero creo que hay mucha tecnología detrás de sus colores.

^{Juego de color, CC0 Creative Commons, por pixabay.com}

En mi post anterior ya les comentaba sobre el origen de la tonalidad roja del cielo durante el atardecer y el color de una fuente de radiación de luz blanca, monocromática y coherente, ahora veremos el origen de esas tonalidades que emite la superficie de un objeto.

Me puse a investigar sobre la cantidad de colores que puede ver una persona y existen muchas variedades llamadas: tonalidades, gamas de colores, variaciones, matices, etc., hasta colores que son invisibles para algunas personas con defectos visuales!. Como nuestros ojos no tienen dispositivos sensores de luz, por eso es que sólo vemos en la región visible del espectro, así que me puse a dibujar círculos de colores variando las tonalidades y agregué unos gif que cambian los colores básicos para ir definiendo ciertos parámetros que deseo tratar en este post.

^{Rotación de colores, CC0 Creative Commons, por Wikipedia.org}

^{Simulación a diferentes longitudes de onda, CC Creative Commons, por Gisling}

Hace 2 semanas a mi hija le regalaron por su cumpleaños número 19 una cadena con medalla muy bonita y traía un cristal precioso de amatista. Me llamó la atención la variedad de colores: blanco, amarillo, dorado y púrpura de diversa intensidad, así que comencé a indagar el por qué de esta mezcla de colores. La amatista es una variedad del cristal de cuarzo (SiO₂), en este caso cuarzo blanco por su coloración lechosa, cristal de roca por la zona transparente, la coloración amarilla-dorada con matiz de color marrón se debe a las impurezas de hierro (Fe⁺³) presentes en el cristal y el color púrpura característico de la amatista proviene del FeO₄ capaz de absorber la irradiación de luz y emitir esa .

Fotografías originales de @azulear.

Y ¿dónde está la Física detrás de todo esto?. Pues en el color natural de estos cristales interviene un fenómeno conocido como

centro de color

, debido a la reflexión, transmisión o absorción durante la excitación de los electrones dentro de sus niveles de energía. Como ya les mencioné, estos cristales contienen impurezas de óxido de hierro que actúan como centro de impurezas o de iones localizados, donde se producen interacciones del siguiente tipo: [FeO₄]⁵ + H⁺ → [FeO₄]⁴ + H

aquí el centro de color es el grupo [FeO₄]⁴ que se origina cuando un electrón es liberado del [FeO₄]⁵ por radiación externa y es atrapado por uno de los iones de hidrógeno presentes H⁺.

También se puede inducir una especie de movimiento del color debido a procesos de electrólisis, calentamiento o irradiación a altas energías que introducen defectos físicos y químicos en el material cristalino. Por supuesto, existe una gran variedad de parámetros que influyen en el color superficial de un objeto, por ejemplo el color de un clavo de hierro pulido y las zonas con óxido de hierro que tendrían otra coloración debido a que ambos estados elementales tendrían comportamiento energético distinto.

Fotografía original de @azulear.

En los procesos físicos y químicos para la fabricación de puntos cuánticos de seleniuro de cadmio (CdSe) también se dan los fenómenos de variación del color de este compuesto bajo la iluminación de una lámpara ultravioleta (UV). Como se observa en la siguiente imagen, los colores que se emiten y/o percibimos depende del tamaño de los partículas de CdSe. Se trata de su color natural y depende de un factor morfológico, estructural y energético.

^{Color y tamaño de partículas de CdSe, CC Creative Commons, por Prof. Michael S. Wong}

Aquí hago un paréntesis para reafirmar mi atracción por los asuntos que involucran energía, porque el color es un tema de energía. Cada uno de estos frascos contienen el mismo compuesto de CdSe, pero con diferentes tamaños que hacen que los niveles de energía involucrados en los procesos de absorción o transmisión de luz incidente tengan una separación tal que se corresponda a la banda energética prohibida y por ende, a una longitud de onda relacionada a cada color en la región visible.

Ya es común escuchar a las personas hablar del color azul cielo, azul marino, azul verdoso, azul claro o azul oscuro, entre muchas otras denominaciones de la longitud de onda entre 450 y 500 nanómetros correspondiente al color azul. En la siguiente imagen podemos observar la gran variedad de longitudes de ondas, sus respectivas asignaciones de colores e intensidades.

^{Mapa de colores, CC BY-SA 3.0, por Jacobolus}

Pero es que la culpa no es de una persona en específico que se quiere referir de esta manera a los colores, también depende de la percepción del ojo humano. Sabemos que existen investigaciones en animales y se ha determinado que sólo ven ciertos colores en la misma región del visible que ven las personas. Nosotros podemos percibir algunos colores con mayor intensidad que otros y hasta podemos hacer algunos experimentos con cada color individualmente, abrir y cerrar los ojos y en algún momento veremos la silueta de la imagen cuando tengamos los ojos cerrados!

Creo que los expertos en medicina que escriben en la comunidad #stem-espanol pueden dar una mejor explicación de la función de los conos y bastones que se encuentran en el ojo y que son los encargados de diferenciar los colores. Por ahora, puedo afirmar que se tiene una mayor percepción del color verde, o específicamente se tiene una mayor sensibilidad a la longitud de onda de 560 nanómetros. Podemos volver a ver la segunda imagen de este post y verificamos cuál de los círculos se nos hace más llamativo o que nos cause alguna sensación visual.

^{Puntos cuánticos de CdSe, CC0 Public Domain, por photonicswiki.org}

Tomé como ejemplo el mismo compuesto de CdSe para mostrarles que la sensibilidad máxima de nuestros ojos se focaliza en la región de 530-570 nm. Realmente es curioso observar todos los frascos y su contenido semitransparentes con luz natural y cuando se colocan en una zona de luz ultravioleta resaltan estos espectaculares colores, no es magia es ciencia! Ya tenemos alguna noción sobre el origen de los colores naturales y su explicación científica, ahora debemos dar detalles sobre los colores artificiales, y pues sí tienen que ver con algún aditivo que modifica el color natural de las cosas! De tal manera que el color que percibimos ya no es una característica intrínseca del material, sino que va a depender de la naturaleza de la fuente de radiación de luz, daré 2 ejemplos y culminaré este post.

Fotografías originales de @azulear.

En esta composición fotográfica se presenta un crayón de color azul claro, jajaja es mi percepción de color, la fuente de iluminación de mi habitación que es una lámpara LED de luz blanca y la superficie absorbe todas las longitudes de ondas a excepción de las cercanas a 470 nm; si apagamos la lámpara del objeto no percibiremos color alguno, normalmente se dice que es porque nuestra visión no está adaptada a la oscuridad a pesar que sí hay emisión de fotones en otras frecuencias (infrarrojo). Con mi apuntador enciendo el pequeño LED de luz blanca y volvemos a ver el color azul claro; finalmente enciendo el puntero láser de luz roja y observo que la superficie iluminada es de color rojo!

Queda en evidencia que este tipo de resultado se refiere a un

color artificial

y depende de la naturaleza de la fuente de iluminación. Esto ha sido considerado como una técnica de iluminación de edificaciones emblemáticas para resaltar su arquitectura, aquí les dejo este ejemplo.

^{Teatro iluminado, CC0 Public Domain, por pxhere.com}

Referencias para saber más acerca de este tema:

La ciencia del color

Teoría Física del color

La temperatura del color

Luz cálida y luz fría

Libro: Colour and the Optical Properties of Materials by Professor Richard J. D. Tilley. 2011 John Wiley & Sons, Ltd