工程师用透明的水滴产生彩虹色

通过调整大小，照明角度和曲率，麻省理工学院的工程师可以按照他们可以预测的模式，以透明的液滴产生鲜艳的色彩。图像：菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）

麻省理工学院和宾夕法尼亚州立大学的工程师发现，在正确的条件下，透明表面上的普通透明水滴可以产生鲜艳的色彩，而无需添加墨水或染料。

在《自然》杂志上发表的一篇论文中，研究小组报告说，如果每个微小液滴的大小完全相同，则覆盖有透明液滴细雾并用单个灯照明的表面应产生明亮的颜色。

这种虹彩效果是由于“结构颜色”所致，对象仅通过光与其几何结构交互的方式就可以生成颜色。该效果可以解释某些虹彩现象，例如塑料盘上或水壶内的彩色冷凝物。

麻省理工学院和宾夕法尼亚州立大学的工程师发现，在正确的条件下，透明表面上的普通透明水滴可以产生鲜艳的色彩，而无需添加墨水或染料。

研究人员开发了一个模型，该模型可以在特定的结构和光学条件下预测液滴将产生的颜色。该模型可以用作设计指南，以进行例如基于液滴的石蕊试纸或化妆产品中的变色粉末和油墨。

麻省理工学院机械工程学助理教授马蒂亚斯·科勒（Mathias Kolle）说：“消费品中使用的合成染料产生的鲜艳色彩可能不如应有的健康。”“由于其中一些染料受到更严格的管制，公司要求，我们是否可以使用结构色替代潜在的不健康染料？得益于宾州州立大学的艾米·古德琳（Amy Goodling）和劳伦·扎尔扎（Lauren Zarzar）的仔细观察，以及萨拉的模型，这种效应及其物理解释得以揭示，可能会有答案。”

麻省理工学院的Sara Nagelberg以及主要作者Goodling，Zarzar和Penn State的其他人都是Kolle的论文的合著者。

从上方看，培养皿中的透明液滴被白光照射，视其大小和形状而定，它们呈现出不同的颜色。由研究人员礼貌

跟随彩虹

去年，Zarzar和Goodling在研究由不同密度的油的混合物制成的透明液滴乳液。他们观察到水滴在干净的培养皿中的相互作用，发现水滴看起来出乎意料地呈蓝色。他们拍了张照片，并发给科勒一个问题：为什么这里有颜色？

最初，Kolle认为颜色可能是由于引起彩虹的效果而引起的，在彩虹中，雨滴使阳光重新定向，而独立的颜色则分为不同的方向。在物理学中，使用Mie散射理论来描述诸如雨滴之类的球体散射电磁波平面（例如入射的阳光）的方式。但是Zarzar和Goodling观察到的液滴不是球形，而是半球形或半球形的圆顶。

内格尔伯格说：“起初，我们遵循了这种引起彩虹的效果。”他领导建模工作，试图解释这种效果。“但是事实证明完全不同。”

她指出，该小组的半球形液滴破坏了对称性，这意味着它们不是完美的球体-一个看似显而易见的事实，但仍然很重要，因为这意味着光在半球体和球体中的行为应有所不同。具体来说，半球的凹面可提供在完美球体中无法实现的光学效果：全内反射或TIR。

全内反射是一种现象，其中光以高角度入射在高折射率介质（例如水）和低折射率介质（例如空气）之间的界面上，从而使100％的光被反射。这种效果使光纤能够以低损耗传输数千米的光。当光进入单个液滴时，它会被TIR沿其凹面反射。

实际上，一旦光进入液滴，纳吉尔伯格发现它可以采取不同的路径，反弹两次，三次或更多次，然后再以另一个角度出射。光线在光线出射时的累加方式决定了液滴是否会产生颜色。

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出射，它们在液滴内的路径可能完全不同。如果一束光反弹三次，则它的路径要比一束光反弹两次的射线更长，因此它在离开液滴之前会稍微落后一点。如果此相位滞后导致两条射线同相（意味着这些波的波谷和波峰对齐），则与该波长相对应的颜色将可见。这种干扰效应最终会在原本清晰的小滴中产生颜色，而在小而不是大滴中则更强。

“当受到干扰时，就像孩子们在游泳池里摇曳波浪一样，” Kolle说。“如果他们做自己想做的事，就不会有建设性的累加，只是水池中很多乱七八糟的东西，或者是随机波动的模式。但是，如果他们都齐心协力，就会掀起一阵大浪。这里是一样的：如果使相波发出，则将获得更大的色彩强度。”

彩色地毯

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将所有这些参数整合到一个数学模型中，以预测在特定结构和光学条件下液滴将产生的颜色。然后Zarzar和Goodling对照他们在实验室中产生的实际液滴测试了模型的预测。

首先，该团队优化了他们的初始实验，创建了液滴乳液，使用微流控设备可以精确控制液滴的大小。正如Kolle所描述的，它们在清晰的陪替氏培养皿中产生了大小完全相同的液滴“地毯”，并用单个固定的白光对其进行照明。然后，他们用绕着盘子盘绕的照相机记录了液滴，并观察到液滴呈现出鲜艳的色彩，随着照相机绕圈旋转，这些鲜艳的色彩发生了变化。这证明了看到光进入液滴的角度如何影响液滴的颜色。

该团队还在单张胶片上产生了各种大小的液滴，并观察到从单个观察方向来看，颜色会随着液滴大小的增加而变红，然后又变回蓝色并再次循环。根据模型，这是有道理的，因为较大的液滴将为光线提供更多的反弹空间，从而产生更长的路径和更大的相位滞后。

为了证明液滴颜色曲率的重要性，研究小组在透明膜上产生了水的凝结，并用疏水（拒水）溶液处理，液滴形成了大象的形状。疏水部分产生更多的凹形液滴，而膜的其余部分产生较浅的液滴。与浅液滴相比，光更容易在凹形液滴中反弹。结果是黑色背景上的大象图案非常丰富多彩。

除了液滴以外，研究人员还使用各种透明的，基于聚合物的材料3D打印了微小的固态盖和圆顶，并观察到了这些固态颗粒中类似的彩色效果，这可以通过该团队的模型进行预测。

Kolle期望该模型可用于设计用于一系列变色应用程序的液滴和颗粒。

“您可以使用复杂的参数空间，” Kolle说。“您可以定制液滴的大小，形态和观察条件，以创建所需的颜色。”

这项研究部分由美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室通过麻省理工学院的士兵纳米技术研究所提供支持。

出版物：艾米·古德琳（Amy E. Goodling）等人，“通过微尺度凹面界面处的全内反射和干涉产生的同色度”，自然，2019