Ingenieurs van MIT en Penn State University hebben ontdekt dat onder de juiste omstandigheden, gewone heldere waterdruppels op een transparant oppervlak kunnen schitterende kleuren produceren, zonder toevoeging van inkt of kleurstoffen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , het team meldt dat een oppervlak bedekt met een fijne nevel van transparante druppels en verlicht met een enkele lamp een heldere kleur zou moeten produceren als elk klein druppeltje precies even groot is.

Dit iriserende effect is te wijten aan "structurele kleur, " waardoor een object kleur genereert simpelweg vanwege de manier waarop licht interageert met zijn geometrische structuur. Het effect kan bepaalde iriserende verschijnselen verklaren, zoals de kleurrijke condensatie op een plastic schaaltje of in een waterfles.

De onderzoekers hebben een model ontwikkeld dat de kleur voorspelt die een druppel zal produceren, gegeven specifieke structurele en optische omstandigheden. Het model kan worden gebruikt als een ontwerpgids om te produceren, bijvoorbeeld, op druppels gebaseerde lakmoesproeven, of kleurveranderende poeders en inkten in make-upproducten.

"Synthetische kleurstoffen die in consumentenproducten worden gebruikt om felle kleuren te creëren, zijn misschien niet zo gezond als ze zouden moeten zijn, " zegt Mathias Kolle, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT. "Omdat sommige van deze kleurstoffen strenger worden gereguleerd, bedrijven vragen kunnen we structurele kleuren gebruiken om potentieel ongezonde kleurstoffen te vervangen? Dankzij de zorgvuldige observaties van Amy Goodling en Lauren Zarzar van Penn State en Sara's modellering, die dit effect en de fysieke verklaring ervan aan het licht bracht, misschien is er een antwoord."

Sara Nagelberg van het MIT, samen met hoofdauteur Goodling, Zarzar, en anderen uit Penn State, zijn de co-auteurs van Kolle op het papier.

Volg de regenboog

Vorig jaar, Zarzar en Goodling bestudeerden transparante druppelemulsies gemaakt van een mengsel van oliën met verschillende dichtheid. Ze observeerden de interacties van de druppeltjes in een doorzichtige petrischaal, toen ze merkten dat de druppels verrassend blauw leken. Ze maakten een foto en stuurden die naar Kolle met de vraag:Waarom is hier kleur?

aanvankelijk, Kolle dacht dat de kleur te wijten zou kunnen zijn aan het effect dat regenbogen veroorzaakt, waarin zonlicht wordt omgeleid door regendruppels en individuele kleuren in verschillende richtingen worden gescheiden. in de natuurkunde, Mie-verstrooiingstheorie wordt gebruikt om de manier te beschrijven waarop bollen zoals regendruppels een vlak van elektromagnetische golven verstrooien, zoals invallend zonlicht. Maar de druppeltjes die Zarzar en Goodling waarnamen, waren geen bollen, maar liever, halve bollen of koepels op een plat oppervlak.

"Aanvankelijk volgden we dit regenboogveroorzakende effect, " zegt Nagelberg, die de modelleringsinspanning leidde om te proberen het effect te verklaren. "Maar het bleek iets heel anders te zijn."

Ze merkte op dat de halfronde druppels van het team de symmetrie verbraken, wat betekent dat het geen perfecte sferen waren - een schijnbaar voor de hand liggend feit, maar niettemin een belangrijk feit, omdat het betekende dat licht zich anders moest gedragen in hemisferen dan in sferen. specifiek, het concave oppervlak van een halve bol laat een optisch effect toe dat niet mogelijk is in perfecte bollen:totale interne reflectie, of TIR.

Totale interne reflectie is een fenomeen waarbij licht een grensvlak raakt tussen een medium met een hoge brekingsindex (water, bijvoorbeeld) naar een medium met een lagere brekingsindex (zoals lucht) onder een grote hoek zodat 100 procent van dat licht wordt gereflecteerd. Dit is het effect waardoor optische vezels kilometers lang licht kunnen vervoeren met weinig verlies. Wanneer licht een enkele druppel binnendringt, het wordt gereflecteerd door TIR langs de concave interface.

In feite, zodra het licht zijn weg vindt in een druppel, Nagelberg ontdekte dat het verschillende wegen kan inslaan, twee stuiteren, drie, of meerdere keren voordat u uit een andere hoek vertrekt. De manier waarop lichtstralen optellen als ze uitgaan, bepaalt of een druppel kleur zal produceren of niet.

Bijvoorbeeld, twee stralen wit licht, die alle zichtbare golflengten van licht bevat, onder dezelfde hoek binnenkomen en onder dezelfde hoek uitgaan, binnen een druppel geheel andere wegen kunnen inslaan. Als een straal drie keer stuitert, het heeft een langer pad dan een straal die twee keer stuitert, zodat het iets achterblijft voordat het de druppel verlaat. Als deze fasevertraging ertoe leidt dat de golven van de twee stralen in fase zijn (wat betekent dat de troggen en toppen van de golven zijn uitgelijnd), de kleur die overeenkomt met die golflengte zal zichtbaar zijn. Dit interferentie-effect, die uiteindelijk kleur produceert in verder heldere druppels, is veel sterker in kleine dan in grote druppels.

"Als er interferentie is, het is als kinderen die golven maken in een zwembad, " zegt Kolle. "Als ze doen wat ze willen, er is geen constructieve optelling van inspanning, en gewoon een hoop rotzooi in het zwembad, of willekeurige golfpatronen. Maar als ze allemaal duwen en trekken, je krijgt een grote golf. Het is hier hetzelfde:als je golven in fase naar buiten krijgt, je krijgt meer kleurintensiteit."

Een tapijt van kleur

De kleur die druppels produceren, hangt ook af van structurele omstandigheden, zoals de grootte en kromming van de druppels, samen met de brekingsindices van de druppel.

Nagelberg verwerkte al deze parameters in een wiskundig model om de kleuren te voorspellen die druppels zouden produceren onder bepaalde structurele en optische omstandigheden. Zarzar en Goodling testten vervolgens de voorspellingen van het model tegen de werkelijke druppels die ze in het laboratorium produceerden.

Eerst, het team optimaliseerde hun eerste experiment, het creëren van druppelemulsies, waarvan ze de afmetingen precies konden controleren met behulp van een microfluïdisch apparaat. Zij produceerden, zoals Kolle beschrijft, een "tapijt" van druppeltjes van exact dezelfde grootte, in een doorzichtige petrischaal, die ze verlichtten met een enkele, vast wit licht. Vervolgens legden ze de druppeltjes vast met een camera die rond de schaal cirkelde, en merkte op dat de druppels schitterende kleuren vertoonden die verschoven terwijl de camera rondcirkelde. Dit demonstreerde hoe de hoek waaronder het licht de druppel binnendringt, de kleur van de druppel beïnvloedt.

Het team produceerde ook druppels van verschillende groottes op een enkele film en observeerde dat vanuit een enkele kijkrichting, de kleur zou roder worden naarmate de druppel groter werd, en zou dan teruggaan naar blauw en er weer doorheen fietsen. Dit is logisch volgens het model, omdat grotere druppels licht meer ruimte zouden geven om te weerkaatsen, het creëren van langere paden en grotere fasevertragingen.

Om het belang van kromming in de kleur van een druppel aan te tonen, het team produceerde watercondensatie op een transparante film die werd behandeld met een hydrofobe (waterafstotende) oplossing, waarbij de druppels de vorm van een olifant vormen. De hydrofobe delen creëerden meer holle druppeltjes, terwijl de rest van de film ondiepere druppels creëerde. Licht kan gemakkelijker rondkaatsen in de holle druppeltjes, vergeleken met de ondiepe druppels. Het resultaat was een zeer kleurrijk olifantenpatroon tegen een zwarte achtergrond.

Naast vloeistofdruppels, de onderzoekers 3D-geprint kleine, massieve doppen en koepels van diverse transparante, op polymeren gebaseerde materialen, en zag een soortgelijk kleurrijk effect in deze vaste deeltjes, dat kon worden voorspeld door het model van het team.

Kolle verwacht dat het model kan worden gebruikt om druppels en deeltjes te ontwerpen voor een reeks kleurveranderende toepassingen.

"Er is een complexe parameterruimte waarmee je kunt spelen, " zegt Kolle. "Je kunt de grootte van een druppel aanpassen, morfologie, en observatieomstandigheden om de gewenste kleur te creëren."