Apuntes de ciencia, Miguel Carreras

El color de la Ciencia

El color de la Ciencia

En 2003 tuve ocasión de visitar en el Palacio de la Virreina de Barcelona una imaginativa exposición del prematuramente fallecido Fernando Krahn, artista chileno afincado en Cataluña. Llevaba por título el que he elegido, en su recuerdo, para este artículo sobre la ciencia del color.

El papel del color, tanto en la ciencia como en la tecnología, ha ido ganando relevancia con el tiempo. Basta pensar en su gran influencia en la pintura artística, la arquitectura, la fotografía, las artes gráficas y las modernas tecnologías de la información, así como en las industrias textiles, alimentarias, de iluminación, colorantes, pirotecnia, recubrimientos y embalaje y de proyección de imágenes de todo tipo.

El color es un concepto altamente pluridisciplinar, pues involucra, entre otras, a disciplinas científicas como la física, la química y la matemática, pero también a otras como la fisiología, la filosofía, la psicología y el arte.

La comunicación entre un objeto, natural o artificial, y el ojo es un fenómeno físico, puesto que el mensaje es transportado por un rayo luminoso. En la retina hay dos tipos de receptores, los conos y los bastones. Éstos últimos son sensibles incluso a luces débiles, pero no distinguen entre colores de diferente longitud de onda, cosa que sí hacen los conos. Todos los receptores contienen moléculas (cis y trans retinal, p.ej.) sensibles y en el momento en que la luz se introduce en el ojo reaccionan de inmediato, porque sus electrones pueden ser desplazados por los fotones de la luz de un orbital a otro de superior energía. Y son las que envían la correspondiente señal al cerebro. Por tanto la detección y la transmisión de la señal nerviosa se realizan por vía química. Hay que recalcar que son frecuentemente determinadas moléculas las que confieren su color característico a las cosas.

Nos encontramos ante un tema muy complejo que, considerando lo arriba escrito, abordaremos mayormente desde la perspectiva de la física y de la química, revisando también algunos precedentes históricos determinantes.

Pero primeramente adelantamos una definición, que propuso en la última mitad del pasado siglo el Comité de Colorimetría de la Sociedad Óptica de América:”El color se compone de aquellas características de la luz distintas de las del espacio y tiempo; siendo la luz aquel aspecto de la energía radiante que el hombre percibe a través de las sensaciones visuales que se producen por el estímulo de la retina”.

Disco de Goethe

Disco de Goethe

Y según Wikipedia:”Color es una percepción visual que el cerebro de algunos animales y humanos interpreta las señales que recibe el fotoreceptor en la retina, distinguiendo las distintas longitudes de onda de la parte visible del espectro de la luz”. Antes Johann Wolfgang von Goethe, en consonancia con el romanticismo imperante, había escrito que los colores son acciones y pasiones de la luz.

La  Física y el color.

Del legado de numerosas pinturas rupestres se colige que los antiguos humanos eran maestros en pinturas y tintas que han sobrevivido hasta hoy.

Se atribuye a Aristóteles la autoría de De coloribus, considerada la primera teoría del color de la historia y a Empédocles y Euclides el primer análisis de la reflexión de la luz. Por su profesión los pintores serían los primeros en marcar las prácticas empíricas para mezclar colores, si bien hay muy poca documentación y de escasa trascendencia hasta el siglo XVI. Parece que Leonardo da Vinci llegó a intuir que la luz blanca no era simple.

René Descartes ofrece en Dioptrique un anticipo a la teoría corpuscular newtoniana de la luz. Los corpúsculos más veloces constituirían el rojo y los más lentos el azul. El resto de colores serían grados intermedios. Pero las propiedades que atribuía a la luz se mostraban incompatibles con la óptica geométrica en lo referente a la génesis del color. Robert Boyle consideraba dos colores fundamentales, el blanco, producido por reflexiones en las partes redondas de los cuerpos y el negro debido a la absorción de las partes cóncavas. Nicolás Malebranche asocia en cierto modo los colores y las frecuencias de las radiaciones, argumentos que, en parte, asumiría más tarde Leonhard Euler.

Fue Newton quien introdujo los primeros conocimientos científicos sobre el color cuando estudió la desviación de la luz blanca al incidir sobre un prisma de base triangular, observando el espectro coloreado que se formaba y realizando la síntesis de la luz blanca superponiendo luces previamente dispersadas.

Conviene recordar las interpretaciones más importantes que, desde la revolución científica se han expuesto acerca de la naturaleza de la luz. No fue hasta el siglo XVII cuando la filosofía mecánica, personalizada especialmente en Isaac Newton y Cristian Huygens, cambia el marco conceptual de la interpretación aristotélica de la luz, que consideraba a ésta no un proceso sino una cualidad adquirida por el medio por causa del cuerpo luminoso. Como escribe Carlos Solís en su introducción a la Óptica de Newton: “Las innovaciones de Newton parten de la teoría cartesiana, según la cual la luz no es más un cierto tipo de tendencia al movimiento transmitido a través de un medio fluido y los colores no son otra cosa que la modificación de ese pulso original en que consiste la luz inalterada”.

OPTICA NEWTON-PORTADA CAMEn 1664 Newton adquiere un prisma para experimentar el “célebre fenómeno de los colores” y tras incidir en él la luz observó la aparición del  espectro de los colores que la componen. Ocho años después expuso por vez primera su teoría-muy criticada por Robert Hooke– en carta dirigida al secretario de la Royal Society, Oldenburg ,y publicada en Philosophical Transactions. Huygens comentó al respecto:”Confieso que la nueva teoría de los colores propuesta por el señor Newton me parece hasta el momento muy verosímil y el Experimentum Crucis (si lo comprendo bien, pues está escrito con cierta oscuridad) lo confirma bastante.”

Pero fue el mismo Huygens uno de los más serios opositores a las teorías corpusculares, planteando la naturaleza ondulatoria para la luz. Sin embargo, dada la autoridad de Newton, prevalecieron las ideas de éste último y en el siglo XVIII, Voltaire (François Marie Arouet) las introduce en el continente europeo, pero surgen controversias, primeramente con Jean Paul Marat, en Francia, y sobre todo en Alemania con Goethe, quien comienza a interesarse por el color por motivos artísticos, que se tornan en científicos más adelante. Fruto del esfuerzo intelectual en este campo fue su libro Teoría de los colores, redactado entre 1799 y1810. En él distingue colores fisiológicos (propios del órgano visual) y colores químicos (inherentes a los cuerpos). “Un único color excita, mediante una sensación específica, la tendencia a la universalidad. En esto reside la ley fundamental de toda armonía de los colores”, escribió Goethe.

Como indica la profesora Pilar López de Santamaría en la introducción de Sobre la visión y los colores de Arthur Schopenhauer, ”Si en Newton se objetivan los fenómenos mediante formulaciones matemáticas, Goethe busca una ciencia integral que haga compatibles el conocimiento de la naturaleza con el de sí mismo”. Aunque las ideas de Goethe no tuvieron incidencia práctica se le reconoce haber planteado la contradicción de una teoría física absoluta frente a la concepción psíquica y subjetiva y de las sensaciones luminosas.

Euler habla con un cierto rigor de la luz en el sentido de distintas capacidades de vibración, contando con el polémico éter como medio de transmisión y es un precedente más, en el siglo XVIII de la vía que consagrarían con solvencia científica personajes como el inglés Thomas Young, cuyas experiencias fueron apuntaladas por Luwig von Helmholtz, y el francés Augustin Jean Fresnel, que apuestan abiertamente por el modelo de ondas luminosas. Young comprueba experimentalmente que los colores básicos del espectro de la luz blanca son solo tres: el rojo, el verde y el azul intenso y tres receptores correspondientes en el sistema visual. Consigue recomponer la luz, de gran utilidad para los pintores. Demuestra que los cuerpos opacos, al ser iluminados, reflejan todos o parte de los componentes de la luz que absorben. Es considerado uno de los precursores de la óptica fisiológica.

Es en 1853 cuando el polaco Herrmann Grassmann  sistematiza las cuatro leyes básicas de la estructura matemática del color, sobre aditividad, intensidad, luminiscencia, matiz, claridad, tono, y saturación que todavía perduran. La ciencia del color pasa a ser, según decía el catedrático de la Universidad de Zaragoza, Justiniano Casas, la primera que pudo formular el álgebra de una sensación psicológica.

De las maneras de solucionar las ecuaciones unitarias anteriores, una de las posibilidades que sugiere Jean Clerck Maxwell es utilizar un triángulo equilátero de altura unidad en cuyos vértices se sitúan los colores primarios. Estas formas de representación son conocidas como de los triángulos de Maxwell. Con la resolución de las ecuaciones se pueden determinar las coordenadas del color y su pureza. A Maxwell le cabe un honor más: haber realizado en 1860 la primera fotografía, usando una combinación de filtros rojos, verdes y azules, lo que le valió la concesión de la medalla Rumford.

Tras Maxwell se llegó a pensar que la Óptica se incorporaría al electromagnetismo, cosa que no sucedió. Más bien se dio un replanteamiento de objetivos, vinculándose al ojo humano y al estudio de la visión, la luz, el color y las imágenes.

De modo que a lo largo del siglo XX la Óptica extendió su campo de acción a la física de las radiaciones, la fotografía en todas sus acepciones y a la fotoelectricidad. Surgieron nuevos caminos con los láseres y los hologramas y se fueron reemplazando los antiguos fotómetros y colorímetros por instrumentos acordes con el desarrollo de las nuevas tecnologías. Ha habido numerosas convenciones internacionales para acordar patrones y establecer la medida del color.

La vuelta a los corpúsculos con la adopción de la teoría cuántica de Max Planck por Albert Einstein para explicar con éxito el efecto fotoeléctrico y la posterior solución dual onda-corpúsculo para la luz de de Louis de Broglie, llevó  más adelante a una nueva derivación, la Óptica cuántica, que tuvo mucho campo para la investigación, a partir del láser, en asuntos como la digitalización y en la fabricación de sensores electrónicos para el tratamiento y almacenamiento de imágenes. La Óptica cuántica, cuyo iniciador teórico pudo ser Paul Dirac, y más recientemente la Fotónica, adoptan especialmente la versión corpuscular de la luz -los fotones- para sus desarrollos teóricos y experimentales.

Ostwald y los conos

Ostwald y los conos

Por su parte William Ostwald, con importantes contribuciones a la química, como el estudio de ácidos y bases, la ionización del agua, la catálisis y la revolucionaria obtención de HNO3 a partir de amoniaco, que le valieron el Nobel de Química en 1909, escribió en la última etapa de su vida Filosofía natural y Ciencia del color. En este último libro, estudió el color como fenómeno físico-químico y llegó a construir un laboratorio a tal efecto. Propuso cuatro colores básicos elementales: rojo, verde, azul y amarillo y dos gamas de sensaciones cromáticas. Su idea consiste esquemáticamente en un doble cono con una única base y sobre la circunferencia común a los conos coloca veinticuatro tonos. Su teoría todavía encuentra aplicación en los aparatos de TV para conseguir mejor definición y transiciones de colores más homogéneas.

El color en la Química

La experiencia de hacer Química es tanto intelectual como visual. Un método clásico es detectar y seguir las reacciones mediante la observación de los cambios de color. Los indicadores ácido-base (fenolftaleína, azul de tornasol, rojo congo, naranja de metilo..) son un caso muy conocido, incluso a nivel popular. También los ensayos de reconocimiento de sustancias-elementos y compuestos- en el laboratorio se basan en muchas ocasiones en pruebas de color, bien analíticas cualitativas o espectroscópicas.

Haremos especial hincapié en las moléculas responsables de los colores de algunas plantas y en el desarrollo de la industria de colorantes sintéticos.

Dice Peter Atkins en su libro Molécules au quotidien: ”Los colores de la naturaleza dependen de la presencia de moléculas específicas (…).Al descubrir las modificaciones que producen los cambios de color de las hojas en otoño comprenderéis el flujo y reflujo de las moléculas coloreadas.(…)Aprenderéis igualmente que las moléculas contribuyen al color de los cabellos.de la carne, de las grasas…”

Se considera a Otto N. Witt, uno de los primeros teóricos del color en la Química. Señaló que los compuestos coloreados poseen uno o más grupos no saturados (cromóforos), como –NO2 ,-CN..Y para ser un colorante ha de tener propiedades ácidas o básicas, determinadas por grupos auxocromos como –OH,-H2 S ,-NH3..

Berilo_aguamarina

Cristal de Berilo

Pasemos a considerar algunos casos de materiales coloreados .El berilo Be3Al2 (SIO3)6 (Silicato doble de berilio y aluminio) Dice la leyenda que los druidas lo manejaban en sus predicciones y en el Renacimiento era tan valorado como el oro. Cristaliza en el sistema hexagonal y es de alta dureza (7,5-8 en la escala de Mohs) Algunas gemas transparentes como las esmeraldas (verde oscuro) y la aguamarina (azul verdoso) lo contienen junto a impurezas. También existe las variedades amarilla (heliodoro),rosa (morganita) y roja (bixbita) Es uno de los muchos ejemplos de color y brillo muy apreciados del mundo mineral.

Veamos una pequeña muestra de moléculas responsables de colores o procesos naturales. La clorofila (C15H72MgN4O5 fórmula molecular), causa del color verde de la vegetación, absorbe la luz violeta y la roja, lo que produce, tras reflexión, luz de color verde. La luz absorbida es la menos energética de la fotosíntesis, la forma con que las plantas verdes se aprovisionan de energía solar. La pelargonidina, de la familia de los flavonoides presenta dos ciclos bencénicos y un tercero con oxígeno. Es a la que se deben muchos rojos, como los del geranio común, las frambuesas y las fresas maduras.

La hemoglobina , es la encargada del transporte del oxígeno en la sangre y la que le da su color rojo Pertenece al grupo de las porfirinas, con un átomo de hierro en el centro de la molécula.

Y ahora una pizca de gastronomía. Está comprobado que algunos marrones se forman por procesos químicos (reacciones de Maillard), entre hidratos de carbono y aminoácidos de las proteínas. Simultáneamente a la aparición del color marrón se forman moléculas que generan un oscurecimiento, un sabor y olor característicos en sustancias como la carne asada, los frutos secos o los granos de café. Sucesos así requieren temperaturas superiores a los 100ºC.

Las uvas blancas contienen antoxantinas o flavonas que las colorean de amarillo débil y las tintas, antocianos que le dan el color rojizo. En el proceso de crianza y envejecimiento el color de los vinos tintos pasa del tono violáceo al rojo teja. La materia colorante de las uvas tintas se localiza en el hollejo del grano y solo pasa al vino si las uvas se maceran un tiempo con el mosto.

Un colorante emblemático, el índigo (derivado del indol) de color azul, ya se obtenía en tiempos remotos en la India y sudeste asiático de las hojas de la leguminosa Indigofera tinctoria y de la Isatis tinctoria. Hay documentos sánscritos y bíblicos en los que se describe el proceso de extracción y se han encontrado en algunas momias egipcias paños teñidos con índigo.

Plinio el Viejo, en Naturalis Historia lo nombra en el siglo I dC. pero su origen fue ignorado por el mundo occidental hasta avanzado el siglo XVII. Con el despegue de la Química Orgánica, el alemán Adolf von Baeyer esclareció en 1883 la estructura de la molécula de índigo e inició el procedimiento de su síntesis. El uso actual para la tinción de ropa tiene el inconveniente de ser poco resistente al lavado, lo que también puede aprovecharse. Como escribe Gianni Fochi: “Desde los tiempos de James Dean y de la juventud quemada, el perdurable éxito del índigo se debe a los portadores de tejanos azules, una prenda que para ser apreciada debía parecer envejecida, es decir, desteñida.”En nuestros tiempos se usa más frecuentemente con esos fines el hipoclorito de sodio.

El negro de humo y el azul de Prusia  se venían utilizando antiguamente como colorantes artificiales, pero hubo algunos descubrimientos que influyeron poderosamente en la intensa expansión de la industria química ligada a los colorantes y derivaciones.

William H.Perkin

William Henry Perkin

Hacia mediados del siglo XIX el alemán Fredlieb Runge , que había confraternizado con Goethe en celebraciones científicas divulgativas, y había descubierto la cafeína, obtuvo la anilina y algunos derivados, considerados los primeros colorantes sintéticos, si bien no se concedió demasiada relevancia al hecho. Por aquellas fechas William Henry Perkin , partiendo de sustancias presentes en alquitranes del gas del alumbrado, por un azar de los que se producen en la historia científica, pues lo que pretendía era obtener quinina para el tratamiento contra la malaria, descubre la mauveina o malva. El propio Perkin la patentó en 1856 y se involucró con su familia posteriormente en la fabricación con la denominación de púrpura de Tiro. Por añadidura este acontecimiento, además de lanzar la industria de los colorantes, tuvo gran influencia en la fotografía, la perfumería, la farmacéutica y la medicina moderna.

La fucsina, derivado del trifenilmetano, fue preparada por primera vez en laboratorio por August W.von Hoffmann a partir de anilina y tetracloruro de carbono en 1858, si bien fue François-Enmanuel Verguin  quien  inscribió la patente. Existen variantes ácidas y básicas. En su estructura química presenta dos aminas primarias y una secundaria. La ácida es un colorante magenta usado en histología, como revelador o detector de placa bacteriana. La básica, entre otras cosas, se utiliza para diferenciar aldehídos y cetonas.

El azul de metileno es un derivado de la fenotiacina que se puede obtener a partir de la p-aminodimetilanilina, el sulfuro de hidrógeno y el cloruro férrico. Se ha usado mucho en biología para tinciones. Tiñe también la seda y el algodón, pero fija mal en la lana. Además ha encontrado aplicación como analgésico y como antiséptico para las vías urinarias.

Bernardo Herradón en su libro Los avances de la química distingue científicamente colorantes, pigmentos, tintes y pinturas. “Un colorante es la sustancia que se fija en otros objetos y los dota de color. (…) Un pigmento es un material que cambia el color de la luz que refleja como resultado de la absorción selectiva del color. En la industria se utiliza frecuentemente en forma de polvo seco insoluble en el medio de aplicación.(…) El tinte se diferencia del pigmento en que es líquido y soluble en el medio en que se aplica.(…) Un pigmento con un aglutinante es una pintura.”Actualmente, con la computación, se puede deducir de qué color es un compuesto antes de sintetizarlo.

Y una mención final a los fuegos artificiales, manifestación espectacular de luz, color y sonido con gran aceptación popular. Su origen puede asociarse a la invención de la pólvora por los chinos, los árabes los introducen en Europa y adquieren gran relevancia social en las fiestas pensadas para solaz de reyes y aristocracia descritas espléndidamente en muchas novelas de los siglos XVIII y XIX.

Las reacciones pirotécnicas son procesos químicos controlados de combustión, explosivas o no, de algunos materiales. Acostumbran a iniciarse mediante elementos eléctricos y se continúan con dispositivos pirotécnicos que producen efectos sonoros, visuales y fumígenos espontáneos. Las materias primas son: pólvora negra, polvillo de cinc, cobre o acero, clorato de potasio, cloruros de calcio o de litio y nitrato de bario, cobre o estroncio, variando según los colores pretendidos. En nuestro país son manifestaciones festivas estelares en numerosas localidades, en eventos y celebraciones. La pirotecnia encuentra también aplicación en agricultura y ganadería y en las industrias mineras y pesqueras.

David Jou que participó en la exposición citada al principio, compuso en el libro Las escrituras del universo el poema Colores, del que recogemos estos versos:

Saltan electrones entre niveles.
cascadas de colores.
pintura.
Ya no naturaleza muerta,
paisaje ni figura:
pigmentos,
fotones.
De tan cerca que miro,
olvido
una de las dos
bellezas de las cosas.

Biblografía:

Historia general de las Ciencias. René Tatón (coordinador).Ediciones Orbis.

Óptica (O Tratado de las reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz).Sir Isaac Newton. Ediciones Alfaguara.

Teoría de los colores. Johann Wolfgang Goethe Editorial Colegio de Aparejadores y Arquitectos técnicos de Murcia.

Sobre la visión y los colores. Arthur Schopenhauer. Editorial Trotta (Clásicos de la Ciencia).

Física General. Francis W. Sears- Mark W. Zemansky. Editorial Aguilar (Colección Ciencia y Técnica).

Óptica. Justiniano Casas. Ediciones de la Universidad de Zaragoza.

Ciencia del color. William Ostwald. www.uniliber.com

Molécules au quotidien.Peter Atkins. Intereditions.

Malva. Simón Garfield. Editorial Península.

En Internet: http://www.fotonostra.com/grafico/elcolor.htm

Miguel Carreras Ezquerra- Asociación Ciencia Viva


Ceremonia de Inauguración Expo Zaragoza 2008

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Comentarios

3 comentarios en “El color de la Ciencia

  1. Estupendo articulo sobre los colores y muy bonitas las fotos de los fuegos artificiales de la Expo!

    Publicado por cdetwins | octubre 24, 2014, 7:46 am
  2. Completísimo artículo y muy ameno

    Publicado por tinafermon | noviembre 18, 2014, 5:10 pm

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  1. Pingback: La luz, paradoja y claridad (Miguel Carreras) | Ciencia Viva - octubre 28, 2015

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