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清晰的水滴产生彩虹色

含有透明液滴乳液的培养皿,所述透明液滴乳液由不同密度的油和从不同角度拍摄的水基表面活性剂的混合物制成。当用白光照射时,油滴根据观察方向反射不同的颜色。新的研究解释了这种“结构颜色”是如何根据液滴的大小和曲率以及液滴的全内反射形成的。图片来源:宾夕法尼亚州扎尔扎尔实验室 

含有透明液滴乳液的培养皿,所述透明液滴乳液由不同密度的油和从不同角度拍摄的水基表面活性剂的混合物制成。当用白光照射时,油滴根据观察方向反射不同的颜色。新的研究解释了这种“结构颜色”是如何根据液滴的大小和曲率以及液滴的全内反射形成的。图片来源:宾夕法尼亚州扎尔扎尔实验室

麻省理工学院和宾夕法尼亚州立大学的工程师们发现,在适当的条件下,透明表面上的普通清水滴可以产生鲜艳的色彩,而无需添加油墨或染料。

在今天发表在“ 自然”杂志上的一篇论文中,该团队报告称,如果每个微小的液滴尺寸完全相同,那么用细小的透明液滴雾覆盖并用单个灯点亮的表面应该会产生明亮的颜色。这种虹彩效果是由于“ 结构颜色 ”,由于与其几何结构相互作用的方式,物体通过该“ 结构颜色 ”产生颜色。这种效果可以解释某些虹彩现象,例如塑料盘或水瓶内的彩色冷凝。

研究人员开发了一种模型,可根据特定的结构和光学条件预测液滴产生的颜色。该模型可用作设计指南,例如,基于液滴的石蕊试验,或化妆产品中的变色粉末和油墨。

“消费品中用于制造鲜艳色彩的合成染料可能不如它们应该的那样健康,”麻省理工学院机械工程助理教授Mathias Kolle说。“由于这些染料中的一些受到更强烈的监管,公司们会问,我们能否使用结构色来代替潜在的不健康染料?感谢Amy Goodling和Lauren Zarzar在宾夕法尼亚州立大学的仔细观察以及Sara的造型,这带来了这种效果和对光的物理解释,可能有一个答案。“

麻省理工学院的Sara Nagelberg,以及主要作者Goodling,Zarzar和宾夕法尼亚州立大学的其他人,都是Kolle在论文中的合着者。

跟着彩虹

去年,Zarzar和Goodling正在研究由不同密度的油混合物制成的透明液滴乳液。他们观察到液滴在透明的培养皿中的相互作用,当他们注意到液滴出现了惊人的蓝色。他们拍了一张照片然后把它送到了Kolle,问了一个问题:为什么这里有颜色?

结构颜色来自清澈的水滴。凝聚在透明塑料片上的微米级水滴根据其尺寸反射不同的亮色。图片来源:宾夕法尼亚州扎尔扎尔实验室 

结构颜色来自清澈的水滴。凝聚在透明塑料片上的微米级水滴根据其尺寸反射不同的亮色。图片来源:宾夕法尼亚州扎尔扎尔实验室

最初,Kolle认为颜色可能是由于引起彩虹的影响,其中阳光被雨滴重定向,并且各个颜色被分成不同的方向。在物理学中,米氏散射理论用于描述诸如雨滴之类的球体散射电磁波平面的方式,例如入射的太阳光。但Zarzar和Goodling观察到的水滴不是球体,而是半球形或圆顶形的平面。“最初我们遵循了这种引起彩虹效应的效果,”Nagelberg说道,他负责模拟这项研究以解释其效果。“但事实证明这是完全不同的事情。”

她注意到球队的半球形水滴打破了对称性,这意味着它们不是完美的球体 - 一个看似明显的事实,但仍然是一个重要的事实,因为它意味着光在半球与球体之间应该表现不同。具体地,半球的凹面允许在完美球体中不可能的光学效应:全内反射或TIR。

全内反射是这样一种现象,其中光以高角度照射高折射率介质(例如水)与低折射率介质(例如空气)之间的界面,使得100%的光被反射。这是一种允许光纤以低损耗携带数公里光的效果。当光进入单个液滴时,它会被TIR沿其凹面界面反射。

事实上,一旦光线进入液滴,Nagelberg发现它可以采取不同的路径,在以另一个角度退出之前反弹两次,三次或更多次。光线在退出时加起来的方式决定了液滴是否会产生颜色。

企鹅的图像从水滴中的油反射; 示出了反射蓝色和绿色光的每种类型的液滴的图像。企鹅是通过使用光响应性表面活性剂和光致图案化的液滴形状制成的。图片来源:宾夕法尼亚州扎尔扎尔实验室 

企鹅的图像从水滴中的油反射; 示出了反射蓝色和绿色光的每种类型的液滴的图像。企鹅是通过使用光响应性表面活性剂和光致图案化的液滴形状制成的。图片来源:宾夕法尼亚州扎尔扎尔实验室

例如,包含所有可见光波长的两束白光以相同的角度进入并以相同的角度射出,可以在液滴内采用完全不同的路径。如果一条光线反射三次,它的路径比反射两次的光线长,因此在退出液滴之前它稍微滞后。如果这种相位滞后导致两条射线的波同相(意味着波的波谷和波峰对齐),则可以看到对应于该波长的颜色。这种干扰效应最终会产生明显液滴的颜色,在小而不是大的液滴中会更强。

“当有干扰时,就像孩子们在游泳池里掀起波浪一样,”科勒说。“如果他们做任何他们想做的事情,就没有任何建设性的努力加起来,只是池中有很多混乱,或随机的波浪模式。但如果他们全都推挤,你会得到一个大浪。这里也是一样的:如果你出现波浪,你会得到更多的色彩强度。“

地毯的颜色

液滴产生的颜色还取决于结构条件,例如液滴的大小和曲率,以及液滴的折射率。Nagelberg将所有这些参数纳入数学模型,以预测在某些结构和光学条件下液滴会产生的颜色。然后,Zarzar和Goodling测试了该模型对实验室中产生的实际液滴的预测。

首先,该团队优化了他们的初始实验,创建了液滴乳液,使用微流体装置可以精确控制其尺寸。正如Kolle描述的那样,他们在一个透明的培养皿中制作了一个完全相同尺寸的液滴“地毯”,用一根固定的白光照亮它们。然后他们用一个在盘子周围盘旋的相机记录了液滴,并观察到液滴呈现出绚丽的色彩,随着相机在周围盘旋而移动。这证明了看到光进入液滴的角度如何影响液滴的颜色。

该团队还在单个胶片上产生各种尺寸的液滴,并观察到从单个观察方向,随着液滴尺寸增加,颜色会变红,然后循环回蓝色并再次循环。根据模型,这是有道理的,因为较大的液滴会使光线有更大的反弹空间,从而形成更长的路径和更大的相位滞后。为了证明液滴颜色的曲率的重要性,该团队在透明薄膜上产生水凝结,该薄膜用疏水(防水)溶液处理,液滴形成大象的形状。疏水部分产生更多的凹形液滴,而薄膜的其余部分产生更浅的液滴。与浅液滴相比,光可以更容易在凹滴中反弹。结果是一个非常多彩的大象图案黑色背景。

除液滴外,研究人员还从各种透明的聚合物基材料中打印出微小的实心瓶盖和圆顶,并在这些固体颗粒中观察到类似的彩色效果,这可以通过团队的模型预测。Kolle希望该模型可用于设计一系列变色应用的液滴和颗粒。

“你可以使用复杂的参数空间,”Kolle说。“你可以定制液滴的大小,形态和观察条件,以创造你想要的颜色。”

更多信息: 在微观凹面界面处的全内反射和干涉着色,

Nature(2019)。DOI:10.1038 / s41586-019-0946-4

https //www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

期刊参考: 自然

提供: 麻省理工学院

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