Al soplar una burbuja de jabón, tonos rosados, verdes y azules se arremolinan sobre su película transparente. Cuando un poco de aceite se extiende sobre un charco que ha quedado en el asfalto después de llover, también pueden aparecer manchas con los colores del arcoíris. Si tanto el agua jabonosa como el aceite son de por sí casi incoloros, ¿por qué aparecen colores tan vivos?
El secreto está en las propiedades de la luz, no en las pinturas ni en los pigmentos. Cuando se superponen los reflejos de la luz en las caras superior e inferior de una película muy delgada, algunos colores se intensifican y otros se atenúan. Este fenómeno se llama «interferencia en películas delgadas» (Thin-Film Interference). Se produce cuando la película es tan delgada que su espesor es comparable a la longitud de onda de la luz.
En este artículo veremos, por orden, el principio básico de la interferencia en películas delgadas, las condiciones que determinan el color, ejemplos cotidianos como las burbujas de jabón y las manchas de aceite, y cómo se aprovecha este fenómeno en las lentes de las gafas y en algunos seres vivos.
Los colores de la luz que produce una película delgada
La luz que se refleja dos veces
Para entender la interferencia en películas delgadas, primero hay que recordar que la luz se propaga en ondas que suben y bajan como las olas del agua. Cuando las ondas se encuentran, pueden sumarse o anularse.
(1) La cara superior y la cara inferior
Cuando la luz incide sobre una película delgada, una parte se refleja directamente en la cara superior y el resto entra en la película, se refleja en la cara inferior y vuelve a salir. Así llegan juntos a nuestros ojos dos haces de luz que partieron del mismo punto pero recorrieron trayectos ligeramente distintos.
(2) Interferencia constructiva e interferencia destructiva
Cuando coinciden las crestas de las dos ondas luminosas, la luz se vuelve más intensa. Esto se llama interferencia constructiva. En cambio, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, las ondas se anulan y la luz se atenúa. Esto se llama interferencia destructiva. Los colores que vemos en la interferencia en películas delgadas se deben a que estos dos tipos de interferencia se producen de manera distinta para cada color.
(3) Evidencia de la teoría ondulatoria
Robert Hooke e Isaac Newton también observaron los colores de las películas delgadas en el siglo 17. A comienzos de los años 1800, Thomas Young explicó estos colores mediante la interferencia de la luz. La interferencia en películas delgadas se convirtió así en una prueba importante de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Las condiciones que determinan el color
La luz solar contiene una mezcla de luz de varios colores, cada uno con una longitud de onda distinta. El color que vemos depende de con qué longitud de onda coincide la distancia adicional recorrida dentro de la película.
(1) El espesor de la película
Cuando cambia el espesor de la película, también cambia la diferencia entre los trayectos de los dos haces de luz. Por eso, en una película de espesor irregular, el color que se intensifica varía de un punto a otro y aparecen franjas de varios colores.
(2) El ángulo de observación
Incluso en una misma película, al mirarla de forma oblicua cambia la distancia que recorre la luz en su interior. Por eso también parecen cambiar los colores cuando giramos una burbuja de jabón en distintas direcciones. Basta con que el observador cambie de posición para que pueda variar el color de un mismo punto.
(3) El material de la película
Como la luz se propaga más despacio dentro de un material, incluso con el mismo espesor la diferencia de trayecto depende del índice de refracción del material. Además, cuando la luz se refleja en la superficie de un material con un índice de refracción mayor, su onda se invierte con un desfase de media longitud de onda. Este efecto también influye en qué colores permanecen visibles. En una película rodeada de aire, como la de agua jabonosa, solo se invierte la luz reflejada en la cara superior. Por eso, cuando el espesor es casi nulo, los dos haces se anulan entre sí.
Los colores del arcoíris en la vida cotidiana
La interferencia en películas delgadas se encuentra con más frecuencia en la vida cotidiana que en el laboratorio. Todos estos casos tienen algo en común: hay una película cuyo espesor es del orden de la longitud de onda de la luz.
- Burbuja de jabón (Soap Bubble): por efecto de la gravedad, el líquido de la película de agua jabonosa escurre hacia abajo y la película empieza a adelgazarse por la parte superior. Las franjas de color se desplazan a medida que cambia el espesor.
- Película negra (Black Film): cuando la película se vuelve mucho más delgada que la longitud de onda de la luz, los dos haces reflejados se anulan entre sí y la película se ve negra. En ese momento, la burbuja de jabón está a punto de estallar.
- Mancha de aceite (Oil Slick): una película muy delgada de aceite que se extiende sobre el agua forma dibujos de distintos colores según su espesor.
- Anillos de Newton (Newton's Rings): al colocar una lente convexa sobre un vidrio plano, la fina capa de aire entre ambos produce un patrón de círculos concéntricos. El centro, donde la lente toca el vidrio, se ve oscuro.
La interferencia en películas delgadas en la tecnología y la naturaleza
Diversas tecnologías aprovechan la capacidad de la interferencia en películas delgadas para anular la luz o intensificar solo los colores deseados. Algunos seres vivos también se valen de este mismo principio desde hace mucho tiempo.
(1) Recubrimiento antirreflejante
La superficie de las lentes de las gafas y de las cámaras está recubierta por una película muy delgada. Si se ajusta adecuadamente su espesor, los haces de luz reflejados en la superficie se anulan entre sí, lo que reduce el deslumbramiento y permite que pase más luz a través de la lente. Cuando se mira de lado una lente con este recubrimiento, a veces se aprecia un leve reflejo verdoso o violeta. Esto se debe a que aún se refleja la luz de algunos colores que no se anularon.
(2) Una herramienta para medir el espesor
Si se aprovecha a la inversa la relación entre el color y el espesor, es posible analizar la luz reflejada para medir el espesor de películas tan delgadas que son invisibles a simple vista. Este método también se usa para comprobar el espesor de las películas durante la fabricación de semiconductores.
(3) Colores sin pigmentos
Las alas de las mariposas morfo y el exoesqueleto de algunos insectos deben sus colores brillantes a una estructura de varias capas delgadas superpuestas en lugar de a pigmentos. Esta coloración se llama coloración estructural y se basa en el mismo principio que la interferencia en películas delgadas.
La interferencia en películas delgadas es un fenómeno en el que el espesor imperceptible de una película y la longitud de onda de la luz se combinan para producir colores. Resulta interesante que los colores del arcoíris de las burbujas de jabón y el recubrimiento de las lentes de las gafas se basen en el mismo principio.
Reconocer que hasta en un color familiar se esconde el camino que ha recorrido la luz es el primer paso para explorar científicamente el mundo de la luz.
