無需染料，透明水滴也能產生“彩虹色”

雨點是什麼顏色的

透過調整尺寸、光照角度和曲率，麻省理工學院的工程師們在透明水滴中“製造”出了絢麗的顏色。

《自然》雜誌2月27日報道，美國麻省理工學院（MIT）和賓夕法尼亞州立大學（Penn State University）的工程師們發現，在適當的光照條件下，材料表面上尺寸相同的普通透明水滴可以產生明亮的顏色。這個過程不涉及油墨或染料的使用。

這種虹彩效果的產生是由於“結構顏色”，即物體產生顏色的原因僅和光與其幾何結構的相互作用方式有關。研究人員開發了一種模型，可以在特定的結構和光學條件下預測液滴產生的顏色。這種模型可以作為設計指南，用於生產石蕊試紙、變色粉末和化妝品等。論文作者、MIT機械工程助理教授Mathias Kolle表示：“用於製造絢麗顏色的合成染料，可能並不像它們宣傳的那樣健康。並且，由於這類染料的生產已經開始受到更嚴格的監管，企業和學界都在思考，是否能用結構性顏色來替代可能不健康的染料？”MIT研究人員Sara Nagelberg的建模和賓大研究人員Amy Goodling、Lauren Zarzar等的仔細觀察為此提供了可能的解決方案。

去年，Goodling和Zarzar研究了由不同密度的油混合物製成的透明乳液。當他們在透明的培養皿中觀察液滴間的相互作用時，發現液滴呈現出了令人驚訝的藍色。因此，他們將拍攝的樣片傳送給Kolle，詢問產生顏色的原因。起初，Kolle認為這種顏色可能是由於彩虹效應產生的——陽光被雨滴重新定向，不同的顏色按不同方向區分。在物理學中，這種現象可以用Mie散射理論解釋。但Goodling和Zarzar觀察到的液滴並不是球體，而是在平面上的半球體。Nagelberg說：“最初，我們按照彩虹效應模式進行建模工作，但得到的結果卻截然不同。”她指出，半球形液滴破壞了對稱性，而光在半球形和球體中的表現是不同的。具體來說，半球的凹面可以產生在完美球體中不可能產生的光學效果：全內反射（TIR）。

事實上，Nagelberg發現一旦光線進入水滴，它可以沿著不同的路徑“運動”，在光線以另一個角度離開之前，它會產生多次反射。光線射出時的疊加方式決定了水滴是否會產生顏色。即顏色的產生是干涉效應的結果。在小尺寸液滴中，干涉效應更強。Kolle說：“這與小孩在泳池裡玩水很類似，如果他們是隨意嬉戲，那麼形成的波浪是隨機模式。而如果他們聚集在一起協作，就會製造出大波浪。對光而言，如果能得到相位一致的波，你就會得到更明亮的顏色。”

除光照條件外，液滴產生的顏色也與其尺寸、曲率和折射率等有關。Nagelberg將所有引數整合到了數學模型中，以預測水滴在特定結構和光學條件產生的顏色。Goodling和Zarzar隨後在實驗室中用實際產生的水滴測試了模型的準確性。除了液滴，研究人員還利用3D列印技術和聚合物材料製造了多種微型圓蓋，並觀察到了類似的色彩效果。色彩也可透過Nagelberg開發的模型來預測。Kolle希望該模型能用於變色液滴和顆粒的設計。他說：“你可以透過調整水滴的尺寸、形態和觀測條件來創造想要的顏色。”

編譯：雷鑫宇 審稿：三水 責編：唐林芳

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文連結：https：//www。sciencedaily。com/releases/2019/02/190227131833。htm

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