Anisotropic optical response of the cuticle of arthropods

Abstract

La estructura de la cutícula de los artrópodos consiste en capas de partículas de quitina microfilamentaria. Las capas están apiladas unas sobre la otra formando una estructura de Bouligand helicoidal. Esta estructura genera fenómenos ópticos tales como colores estructurales y birrefringencia que se manifiestan como una apariencia metálica o iridiscente, reflectancia polarizada y actividad óptica. Modelamos la respuesta óptica anisotrópica de la cutícula de artrópodos usando el paquete computacional Photonic para obtener el tensor dieléctrico macroscópico de una lámina constitutiva en la hélice de Bouligand. Su anisotropía depende de la forma de las partículas de quitina, de su arreglo reticular y de su fracción de llenado. Construimos un modelo de cutícula cuya reflectancia muestra un máximo entonable muy sensible a los parámetros geométricos y al ángulo θ que controla el paso de la hélice. Podemos explicar los colores estructurales basados en los máximos de reflectancia causados por la anisotropía y su rotación caracterizada por θ, una alternativa a la aproximación usual que considera arreglos múltiples de pares de láminas con propiedades ópticas contrastantes.

The structure of the cuticle of arthropods consists of layers of micro-filamentary chitin particles. The layers are stacked one on top of the other realizing a Bouligand helical structure which generates optical phenomena such as structural colors and birefringence that produce a metallic or iridescent appearance, polarization upon reflection and optical activity. We model the anisotropic optical response of a constitutive layer in the Bouligand helix of the cuticle using the Photonic computational package, obtaining the macroscopic dielectric tensor. Its anisotropy depends on the shape of the chitin particles, their reticular arrangement and their filling fractions. We build a model for the cuticle with tunable reflectance band-gaps that are very sensitive to geometrical parameters such as the angle q that controls the helix pitch. We can explain the structural colors in terms of the reflectance band-gap induced by the rotation of the anisotropy mediated by q, instead of following the usual approach that considers arrangements of pairs of layers with contrasting optical properties.