Ingeniører gør klare dråber producerer iriserende farver

Ingeniører ved MIT og Penn State University har fundet ud af, at under de rigtige betingelser, almindelige klare vanddråber på en gennemsigtig overflade kan producere strålende farver, uden tilsætning af blæk eller farvestoffer.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Natur , teamet rapporterer, at en overflade dækket af en fin tåge af gennemsigtige dråber og oplyst med en enkelt lampe, bør give en lys farve, hvis hver lille dråbe er præcis den samme størrelse.

Denne iriserende effekt skyldes "strukturel farve, "hvorved et objekt genererer farve simpelthen på grund af den måde lys interagerer med sin geometriske struktur. Effekten kan forklare visse iriserende fænomener, såsom den farverige kondens på et plastikfad eller inde i en vandflaske.

Forskerne har udviklet en model, der forudsiger den farve, en dråbe vil producere, givet specifikke strukturelle og optiske forhold. Modellen kunne bruges som designguide til fremstilling, for eksempel, dråbe-baserede lakmus test, eller farveskiftende pulvere og blæk i makeup-produkter.

"Syntetiske farvestoffer, der bruges i forbrugerprodukter til at skabe lyse farver, er måske ikke så sunde, som de burde være, "siger Mathias Kolle, adjunkt i maskinteknik på MIT. "Da nogle af disse farvestoffer er stærkere reguleret, virksomheder spørger, kan vi bruge strukturelle farver til at erstatte potentielt usunde farvestoffer? Takket være de omhyggelige observationer af Amy Goodling og Lauren Zarzar i Penn State og Saras modellering, der bragte denne effekt og dens fysiske forklaring frem, der kan være et svar. "

Sara Nagelberg fra MIT, sammen med hovedforfatter Goodling, Zarzar, og andre fra Penn State, er Kolle's medforfattere på papiret.

Følg regnbuen

Sidste år, Zarzar og Goodling studerede transparente dråbeemulsioner fremstillet af en blanding af olier med forskellig densitet. De observerede dråbernes interaktioner i en klar petriskål, da de bemærkede, at dråberne virkede overraskende blå. De tog et foto og sendte det til Kolle med et spørgsmål:Hvorfor er der farve her?

I første omgang, Kolle troede, at farven kunne skyldes den effekt, der forårsager regnbuer, hvor sollys omdirigeres af regndråber og individuelle farver adskilles i forskellige retninger. I fysikken, Mie -spredningsteori bruges til at beskrive den måde kugler som regndråber spreder et plan med elektromagnetiske bølger, såsom indgående sollys. Men dråberne, som Zarzar og Goodling observerede, var ikke kugler, men hellere, halvkugler eller kupler på en flad overflade.

"Oprindeligt fulgte vi denne regnbuefremkaldende effekt, "siger Nagelberg, der stod i spidsen for modelleringsindsatsen for at forsøge at forklare effekten. "Men det viste sig at være noget ganske andet."

Hun bemærkede, at holdets halvkugleformede dråber brød symmetri, hvilket betyder, at de ikke var perfekte sfærer - en tilsyneladende indlysende kendsgerning, men ikke desto mindre en vigtig, da det betød, at lys skulle opføre sig anderledes på halvkugler kontra sfærer. Specifikt, den konkave overflade på en halvkugle tillader en optisk effekt, der ikke er mulig i perfekte sfærer:total intern refleksion, eller TIR.

Total intern refleksion er et fænomen, hvor lys rammer en grænseflade mellem et medium med højt brydningsindeks (vand, for eksempel) til et lavere brydningsindeksmedium (f.eks. luft) i en høj vinkel, så 100 procent af det lys reflekteres. Dette er den effekt, der tillader optiske fibre at bære lys i kilometer med lavt tab. Når lyset kommer ind i en enkelt dråbe, det afspejles af TIR langs dets konkave interface.

Faktisk, når lyset kommer ind i en dråbe, Nagelberg fandt ud af, at det kan gå forskellige veje, hopper to, tre, eller flere gange, før du forlader i en anden vinkel. Den måde lysstråler tilføjer, når de forlader, afgør, om en dråbe vil producere farve eller ej.

For eksempel, to stråler af hvidt lys, indeholdende alle synlige bølgelængder af lys, går ind i samme vinkel og forlader i samme vinkel, kunne gå helt andre veje inden for en dråbe. Hvis en stråle hopper tre gange, den har en længere vej end en stråle, der hopper to gange, så den halter lidt bagefter, før den forlader dråben. Hvis denne faseforsinkelse resulterer i, at de to stråles bølger er i fase (hvilket betyder, at bølgernes trug og kam er justeret), farven, der svarer til den bølgelængde, vil være synlig. Denne interferens effekt, som i sidste ende producerer farve i ellers klare dråber, er meget stærkere i små frem for store dråber.

"Når der er interferens, det er som børn, der laver bølger i en pool, "Kolle siger." Hvis de gør, hvad de vil, der er ingen konstruktiv tilføjelse af indsats, og bare meget rod i poolen, eller tilfældige bølgemønstre. Men hvis de alle skubber og trækker sammen, du får en stor bølge. Det er det samme her:Hvis du får bølger i fase, der kommer ud, du får mere farveintensitet. "

Et tæppe af farve

Den farve, som dråber producerer, afhænger også af strukturelle forhold, såsom størrelsen og krumningen af ​​dråberne, sammen med dråbens brydningsindeks.

Nagelberg inkorporerede alle disse parametre i en matematisk model for at forudsige de farver, som dråber ville producere under visse strukturelle og optiske forhold. Zarzar og Goodling testede derefter modellens forudsigelser mod faktiske dråber, de producerede i laboratoriet.

Først, teamet optimerede deres første eksperiment, skaber dråbeemulsioner, hvis størrelser de præcist kunne styre ved hjælp af en mikrofluid -enhed. De producerede, som Kolle beskriver, et "tæppe" af dråber af nøjagtig samme størrelse, i en klar petriskål, som de belyste med en enkelt, fast hvidt lys. De registrerede derefter dråberne med et kamera, der cirkulerede rundt om fadet, og observerede, at dråberne udviste strålende farver, der skiftede, da kameraet cirklede rundt. Dette demonstrerede, hvordan den vinkel, hvormed lys ses at komme ind i dråben, påvirker dråbens farve.

Holdet producerede også dråber i forskellige størrelser på en enkelt film og observerede, at fra en enkelt visningsretning, farven bliver rødere, efterhånden som dråbestørrelsen øges, og derefter ville loop tilbage til blå og cykle igennem igen. Dette giver mening ifølge modellen, da større dråber ville give lys mere plads til at hoppe, skabe længere stier og større faselag.

For at demonstrere vigtigheden af ​​krumning i en dråbes farve, holdet producerede vandkondens på en gennemsigtig film, der blev behandlet med en hydrofob (vandafvisende) opløsning, med dråberne, der danner form af en elefant. De hydrofobe dele skabte flere konkave dråber, hvorimod resten af ​​filmen skabte lavere dråber. Lys kunne lettere hoppe rundt i de konkave dråber, sammenlignet med de lave dråber. Resultatet var et meget farverigt elefantmønster mod en sort baggrund.

Ud over væskedråber, forskerne 3D-printet lillebitte, solide hætter og kupler fra forskellige gennemsigtige, polymerbaserede materialer, og observerede en lignende farverig effekt i disse faste partikler, det kunne forudsiges af teamets model.

Kolle forventer, at modellen kan bruges til at designe dråber og partikler til en række farveskiftende applikationer.

"Der er et komplekst parameterrum, du kan lege med, "Kolle siger." Du kan skræddersy en dråbes størrelse, morfologi, og observationsbetingelser for at skabe den farve, du ønsker. "