Resumen de Structural colour in Tersina viridis

C. D'Ambrosio, Marina E. Inchaussandague, Diana Carina Skigin, A. Barreira, Pablo Luis Tubaro

• español

  El color del plumaje de las aves se debe tanto a la presencia de pigmentos como a efectos estructurales selectivos en frecuencia producidos por la interacción de la luz con la microestructura fotónica que constituye las barbas de las plumas. El plumaje de la especie Tersina viridis, de la familia Thraupidae, presenta dicromatismo sexual: los machos tienen plumaje azul y las hembras son verdes. Además, las plumas muestran una reflectancia iridiscente que varía con el ángulo entre la dirección de incidencia y la de observación. Para investigar los mecanismos de generación de color en las plumas de Tersina viridis estudiamos su respuesta electromagnética. En primer lugar, se obtuvieron imágenes TEM de la sección transversal de las barbas, las cuales revelaron una microestructura formada por cavidades cuasi-esféricas de aire inmersas en una matriz de β-queratina. Para obtener sus parámetros geométricos relevantes, se realizó un análisis estadístico detallado de las imágenes. Dichos parámetros, junto con las propiedades ópticas de los materiales involucrados, determinan el comportamiento electromagnético de la estructura. Para calcular la reflectancia de la barba se utilizaron dos métodos teóricos. En primer lugar, se aplicó un modelo simplificado basado en el análisis de Fourier que sólo tiene en cuenta eventos de esparcimiento simple. Este método provee información útil acerca de la posición espectral del pico de reflectancia dominante en la zona visible del espectro. Sin embargo, este análisis no considera las interacciones entre las esferas, las cuales podrían afectar significativamente la respuesta óptica. Para tener esto en cuenta, se aplicó el método conocido como Korringa-Kohn-Rostoker (KKR), que es un formalismo teórico riguroso para el cálculo de la reflectancia de estructuras formadas por apilamientos de esferas inmersas en un medio material. Se realizaron simulaciones numéricas prestando especial atención a la influencia de las características geométricas de la microestructura. Las curvas obtenidas muestran un pico de reflectancia en la zona del UV, tal como muestran las mediciones de los espectros de reflectancia de la especie. Estos resultados muestran el potencial del método KKR para reproducir en forma precisa la respuesta electromagnética de estructuras naturales y para reproducir características que no pueden ser explicadas utilizando el método de Fourier. Los resultados obtenidos confirman que la estructura fotónica cuasi-periódica de la barba produce esparcimiento coherente y por lo tanto es la responsable del color de la especie Tersina viridis.

• English

  The colour of birds’ plumage is due to the presence of pigments as well as to frequency selective structural effects produced by the interaction of light with the photonic microstructure that constitutes the feather barbs. The species Swallow Tanager, of the family Thraupidae, exhibits sexual dichromatism: males have blue plumage and females green. In addition, the feathers show an iridescent reflectance, which changes as the angle between the directions of incidence and observation is varied. In order to investigate the mechanisms of colour generation in the feathers of the Swallow Tanager species, we study their electromagnetic response. First, we obtained TEM images of the barbs’ cross section, which revealed a microstructure consisting of quasi-spherical air cavities embedded in a β-keratin matrix. To obtain the relevant geometric parameters of the structure, we performed a detailed statistical analysis of the images. These parameters, together with the optical properties of the constituent materials, determine the electromagnetic behaviour of the structure. To calculate the reflectance of a barb, we used two theoretical approaches. First, we applied a simplified model based on Fourier analysis, which relies on the single-particle scattering hypothesis. This method provides useful information about the spectral position of the dominant reflectance peak in the visible region of the spectrum. However, this approach does not account for multiple scattering effects which could produce additional features. Then, we investigate the optical response by applying the Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) method, which is a rigorous theoretical formalism for the calculation of the reflectance of structures formed by a stack of spheres embedded in a material medium. We performed numerical simulations, paying special attention to the influence of the geometrical characteristics of the microstructure on the optical response of the barbs. The KKR curves exhibit an enhancement in the UV region, which is in agreement with the measured reflectance of Swallow Tanager. These results evidence the potential of the KKR formalism to accurately reproduce the electromagnetic response of natural structures and to reveal features that cannot be explained using the Fourier approach. The results obtained confirm that the quasi-ordered spongy structure produces coherent scattering and therefore is the responsible for the colour of the Swallow Tanager.