El ojo humano detecta con precisión nanométrica el espesor de películas delgadas

El ojo humano es un instrumento increíble y puede distinguir con precisión entre las diferencias más pequeñas u sutiles en el color. Aunque la visión humana sobresale en un área, parece quedarse corto en otras, como la percepción de detalles minúsculos, debido a las limitaciones naturales de la óptica humana.
 
En un artículo publicado ayer en la revista Optica, de la Sociedad Óptica de América (OSA, EE.UU.), un equipo de investigación de la Universidad de Stuttgart (Alemania) y la Universidad del Este de Finlandia, de Joensuu ha aprovechado las fortalezas del ojo humano para detectar el color para dar al ojo la capacidad de distinguir entre objetos que difieren en espesor no más de unos pocos nanómetros - aproximadamente el grosor de una membrana celular o un virus individual.

Esta capacidad de ir más allá del límite de difracción del ojo humano se demostró enseñando a un pequeño grupo de voluntarios a identificar las muy sutiles diferencias de color en la luz que ha pasado a través de películas delgadas de dióxido de titanio en condiciones de iluminación muy controladas y precisas. El resultado fue una serie muy coherente de pruebas que reveló un potencial hasta ahora sin explotar, que rivaliza con herramientas ópticas sofisticadas que pueden medir estos espesores diminutos, como la elipsometría.

"Hemos sido capaces de demostrar que el ojo humano es capaz de determinar sin ayuda el espesor de una película fina -materiales de sólo unos pocos nanómetros de espesor- simplemente observando el color que presenta bajo condiciones de iluminación específicas", dice en la nota de prensa de la OSA Sandy Peterhänsel, de la Universidad de Stuttgart, y autora principal del artículo. La prueba real se llevó a cabo en la Universidad del Este de Finlandia.

Películas delgadas

Las películas delgadas son esenciales para una variedad de aplicaciones comerciales y de fabricación, incluyendo los revestimientos anti-reflectantes de los paneles solares. Estas películas pueden ser de tan solo decenas de nanómetros de espesor. Las películas delgadas utilizadas en este experimento fueron creadas mediante la aplicación de capa tras capa de átomos individuales en una superficie. Aunque muy preciso, este es un procedimiento que consume tiempo, y en la industria se utilizan otras técnicas, como la deposición de vapor.
 
Las propiedades ópticas de las películas delgadas implican que cuando la luz interactúa con sus superficies se produce una amplia gama de colores. Este es el mismo fenómeno que produce colores brillantes en las burbujas de jabón y en las películas de aceite en el agua.
 
Los colores específicos producidos por este proceso dependen fuertemente de la composición del material, su grosor, y las propiedades de la luz entrante. Esta alta sensibilidad tanto al material como al espesor ha sido utilizada a veces por los ingenieros cualificados para estimar rápidamente el espesor de las películas a un nivel de aproximadamente 10-20 nanómetros.
 
Esta observación inspiró al equipo de investigación para poner a prueba los límites de la visión humana para ver hasta qué punto podía ser medida una variante en condiciones ideales.
 
"Aunque el poder de resolución espacial del ojo humano es órdenes de magnitud demasiado débil para caracterizar directamente espesores de películas, los colores de interferencia son bien conocidos por ser muy sensibles a las variaciones en la película", dice Peterhänsel.

Experimento

La configuración del experimento fue muy simple. Una serie de películas delgadas de dióxido de titanio se fabricaron, por deposición atómica de una capa cada vez. Aunque consume mucho tiempo, este método permitió a los investigadores controlar cuidadosamente el espesor de las muestras para probar las limitaciones de la visión de los participantes.
 
Las muestras se colocaron entonces en un monitor LCD que fue configurado para mostrar un color blanco puro, con la excepción de un área de referencia de color que pudiera ser calibrado para que coincidiera con los colores aparentes de la superficie de las películas delgadas con diferentes espesores.

El color del campo de referencia fue cambiado por cada participante hasta que coincidiera perfectamente con la muestra de referencia: identificar correctamente el color significaba que también determinaban correctamente su espesor. Esto podía hacerse en tan solo dos minutos, y para algunas muestras de prueba y participantes la estimación difería solamente uno o tres nanómetros del valor real medido por medios convencionales. Este nivel de precisión va mucho más allá de la visión humana normal.

En comparación con los métodos tradicionales automatizados para determinar el espesor de una película delgada, que pueden requerir cinco o diez minutos por muestra utilizando algunas técnicas, el rendimiento del ojo humano rindió mucho mejor.
 
Dado que los ojos humanos se cansan muy fácilmente, es poco probable que este proceso reemplace a los métodos automatizados. Puede, sin embargo, servir como una comprobación rápida por parte de un técnico experimentado. "La intención de nuestro estudio no era exclusivamente comparar la visión humana del color con métodos mucho más sofisticados", señala Peterhänsel. "Encontrar cuán preciso puede ser este enfoque era la principal motivación de nuestro trabajo."
 
Los investigadores especulan que puede ser posible detectar variaciones incluso más finas si se aplican otros factores de control. "La gente a menudo subestima los sentidos humanos y su valor en la ingeniería y la ciencia. Este experimento demuestra que nuestra visión natural puede hacer tareas excepcionales que normalmente sólo se asignarían a máquinas costosas y sofisticadas", concluye Peterhänsel.

Referencia bibliográfica:

Sandy Peterhänsel, Hannu Laamanen, Joonas Lehtolahti, Markku Kuittinen, Wolfgang Osten, Jani Tervo: Human color vision provides nanoscale accuracy in thin-film thickness characterization. Optica (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000627.