Ingenjörer vid MIT och Penn State University har funnit att under de rätta förhållandena, vanliga klara vattendroppar på en transparent yta kan ge strålande färger, utan tillsats av bläck eller färgämnen.

I en tidning som publicerades idag i Natur , laget rapporterar att en yta täckt med en fin dimma av transparenta droppar och upplyst med en enda lampa bör ge en ljus färg om varje liten droppe är exakt lika stor.

Denna iriserande effekt beror på "strukturell färg, "genom vilket ett objekt genererar färg helt enkelt på grund av hur ljuset interagerar med sin geometriska struktur. Effekten kan förklara vissa iriserande fenomen, som den färgglada kondensen på ett plastfat eller inuti en vattenflaska.

Forskarna har utvecklat en modell som förutspår vilken färg en droppe kommer att producera, givet specifika strukturella och optiska förhållanden. Modellen kan användas som en designguide för att ta fram, till exempel, droppbaserade lakmusprov, eller färgförändrande pulver och bläck i sminkprodukter.

"Syntetiska färgämnen som används i konsumentprodukter för att skapa ljusa färger kanske inte är så hälsosamma som de borde vara, säger Mathias Kolle, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "Eftersom vissa av dessa färgämnen är starkare reglerade, företag frågar, kan vi använda strukturella färger för att ersätta potentiellt ohälsosamma färgämnen? Tack vare noggranna observationer av Amy Goodling och Lauren Zarzar vid Penn State och Saras modellering, som förde fram denna effekt och dess fysiska förklaring, det kan finnas ett svar. "

Sara Nagelberg från MIT, tillsammans med huvudförfattaren Goodling, Zarzar, och andra från Penn State, är Kolle's medförfattare på tidningen.

Följ regnbågen

Förra året, Zarzar och Goodling studerade transparenta droppemulsioner gjorda av en blandning av oljor med olika densitet. De observerade dropparnas interaktioner i en klar petriskål, när de märkte att dropparna såg förvånansvärt blå ut. De tog ett foto och skickade iväg till Kolle med en fråga:Varför är det färg här?

Initialt, Kolle trodde att färgen kan bero på effekten som orsakar regnbågar, där solljus omdirigeras av regndroppar och enskilda färger separeras i olika riktningar. Inom fysiken, Mie -spridningsteori används för att beskriva hur sfärer som regndroppar sprider ett plan med elektromagnetiska vågor, som inkommande solljus. Men dropparna som Zarzar och Goodling observerade var inte sfärer, men hellre, hemisfärer eller kupoler på en plan yta.

"Till en början följde vi denna regnbågsframkallande effekt, säger Nagelberg, som ledde modellarbetet för att försöka förklara effekten. — Men det visade sig vara något helt annat.

Hon noterade att lagets halvklotformade droppar bröt symmetri, vilket betyder att de inte var perfekta sfärer - ett till synes uppenbart faktum men ändå ett viktigt, eftersom det innebar att ljuset skulle bete sig annorlunda på halvklotet kontra sfärer. Specifikt, den konkava ytan på en halvklot tillåter en optisk effekt som inte är möjlig i perfekta sfärer:total inre reflektion, eller TIR.

Total inre reflektion är ett fenomen där ljus träffar ett gränssnitt mellan ett medium med högt brytningsindex (vatten, till exempel) till ett medium med lägre brytningsindex (såsom luft) i en hög vinkel så att 100 procent av det ljuset reflekteras. Detta är effekten som gör att optiska fibrer kan bära ljus i kilometer med låg förlust. När ljus kommer in i en enda droppe, det reflekteras av TIR längs dess konkava gränssnitt.

Faktiskt, när ljuset tränger in i en droppe, Nagelberg fann att det kan ta olika vägar, studsar två, tre, eller fler gånger innan du går ut ur en annan vinkel. Hur ljusstrålar adderas när de lämnar avgör om en droppe kommer att producera färg eller inte.

Till exempel, två strålar av vitt ljus, som innehåller alla synliga våglängder av ljus, gå in i samma vinkel och gå ut i samma vinkel, kan ta helt andra vägar inom en droppe. Om en stråle studsar tre gånger, den har en längre väg än en stråle som studsar två gånger, så att den släpar efter något innan den lämnar droppen. Om denna fasfördröjning leder till att de två strålarnas vågor är i fas (vilket betyder att vågornas dalar och toppar är i linje), färgen som motsvarar den våglängden kommer att vara synlig. Denna interferenseffekt, som i slutändan producerar färg i annars klara droppar, är mycket starkare i små snarare än stora droppar.

"När det finns störningar, det är som barn som gör vågor i en pool, "Kolle säger." Om de gör vad de vill, det finns ingen konstruktiv ansträngning, och bara mycket röra i poolen, eller slumpmässiga vågmönster. Men om de alla trycker och drar ihop sig, du får en stor våg. Det är samma sak här:Om du får vågor i fas som kommer ut, du får mer färgintensitet. "

En matta av färg

Färgen som droppar producerar beror också på strukturella förhållanden, som dropparnas storlek och krökning, tillsammans med droppens brytningsindex.

Nagelberg införlivade alla dessa parametrar i en matematisk modell för att förutsäga färgerna som droppar skulle producera under vissa strukturella och optiska förhållanden. Zarzar och Goodling testade sedan modellens förutsägelser mot faktiska droppar som de producerade i labbet.

Först, laget optimerade sitt första experiment, skapa droppemulsioner, vars storlekar de kunde kontrollera exakt med hjälp av en mikrofluidisk anordning. De producerade, som Kolle beskriver, en "matta" av droppar av exakt samma storlek, i en klar petriskål, som de belyste med en enda, fast vitt ljus. De spelade sedan in dropparna med en kamera som cirklade runt skålen, och observerade att dropparna uppvisade lysande färger som skiftade när kameran cirklade runt. Detta visade hur vinkeln vid vilken ljus ses för att komma in i droppen påverkar droppens färg.

Teamet producerade också droppar av olika storlekar på en enda film och observerade att från en enda visningsriktning, färgen skulle ändras rödare när droppstorleken ökade, och sedan skulle gå tillbaka till blått och cykla igenom igen. Detta är meningsfullt enligt modellen, eftersom större droppar skulle ge ljuset mer utrymme att studsa, skapa längre vägar och större fasfördröjningar.

För att visa vikten av krökning i en droppfärg, laget producerade vattenkondens på en transparent film som behandlades med en hydrofob (vattenavvisande) lösning, med dropparna som formar en elefant. De hydrofoba delarna skapade fler konkava droppar, medan resten av filmen skapade grundare droppar. Ljus kan lättare studsa runt i de konkava dropparna, jämfört med de grunda dropparna. Resultatet blev ett mycket färgstarkt elefantmönster mot en svart bakgrund.

Förutom vätskedroppar, forskarna 3-D-printade små, fasta kepsar och kupoler från olika transparenta, polymerbaserade material, och observerade en liknande färgstark effekt i dessa fasta partiklar, som kan förutses av lagets modell.

Kolle förväntar sig att modellen kan användas för att designa droppar och partiklar för en rad färgskiftande tillämpningar.

"Det finns ett komplext parameterutrymme du kan spela med, "Kolle säger." Du kan skräddarsy en droppstorlek, morfologi, och observationsförhållanden för att skapa den färg du vill ha. "