Исследователи обнаружили, что при определенных условиях обычные капли чистой воды на прозрачной поверхности могут создавать яркие цвета без добавления чернил или красителей. Они разработали модель, позволяющую точно определять цвет, который будет иметь капля, учитывая конкретные структурные и оптические условия.
Ученые изучали образцы прозрачных эмульсий из различных масел на водной основе в чашке Петри. В процессе наблюдения они заметили, что некоторые элементы имели ярко голубой цвет. Сначала они предположили, что это может быть связано с тем же эффектом рассеяния света, который вызывает образование радуги. Однако наблюдаемые капли не были сферами, а имели форму купола на поверхности. Поэтому группа начала подробно изучать это явление.
Оказалось, что капли в форме полусфер обуславливали полное внутреннее отражение лучей, возникающее в результате его прохождения между средами с сильно отличающимися показателями преломления. Фактически, когда свет попадает в каплю, он может идти разными путями, неоднократно отражаясь, прежде чем выйти. При этом один луч может преломиться два раза, а другой три, отстав, пройдя более длинный маршрут. Такая фазовая задержка может вызвать эффект интерференции, усиливающий определенные волны, что в конечном итоге и дает каплям цвет.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Университета штата Пенсильвания установили, что цвет капель зависит не только от показателя преломления капель, но и от структурных условий, таких как размер и кривизна. Они включили все эти параметры в математическую модель, позволяющую определять цвета, которые будут появляться в зависимости от условий и проверили ее в лабораторных условиях.
Сначала группа решила усилить эффект, создав капельные масленые эмульсии на основе воды, размеры которых они могли точно контролировать с помощью микрофлюидного устройства. Они сформировали «ковер» из капель одинакового размера и направили на него источник белого света. При перемещении наблюдателя, созданная структура переливалась различными цветами. Было установлено, что при увеличении размера капель цвет смещается к красному спектру, а в меньших – к синему. Ученые также создали на 3D принтере крошечные твердые прозрачные колпаки и наблюдали в них аналогичный эффект.
По словам исследователей, данную оптическую особенность можно использовать в световых дисплеях, лакмусовых тестах и косметике без синтетических красителей.
Недавно мы также сообщали о том, что с помощью линз ученые почти вдвое повысили эффективность солнечных панелей для крыш.
