Gli ingegneri del MIT e della Penn State University hanno scoperto che nelle giuste condizioni, le normali gocce d'acqua limpida su una superficie trasparente possono produrre colori brillanti, senza l'aggiunta di inchiostri o coloranti.

In un articolo pubblicato oggi in Natura , il team riferisce che una superficie ricoperta da una sottile nebbia di goccioline trasparenti e illuminata con una singola lampada dovrebbe produrre un colore brillante se ogni minuscola goccia ha esattamente le stesse dimensioni.

Questo effetto cangiante è dovuto al "colore strutturale, " per cui un oggetto genera colore semplicemente per il modo in cui la luce interagisce con la sua struttura geometrica. L'effetto può spiegare alcuni fenomeni iridescenti, come la condensa colorata su un piatto di plastica o all'interno di una bottiglia d'acqua.

I ricercatori hanno sviluppato un modello che prevede il colore che produrrà una gocciolina, date specifiche condizioni strutturali e ottiche. Il modello potrebbe essere utilizzato come guida alla progettazione per produrre, Per esempio, prove di tornasole basate su goccioline, o polveri e inchiostri che cambiano colore nei prodotti per il trucco.

"I coloranti sintetici utilizzati nei prodotti di consumo per creare colori brillanti potrebbero non essere salutari come dovrebbero essere, "dice Mathias Kolle, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. "Poiché alcuni di questi coloranti sono regolamentati in modo più rigoroso, le aziende chiedono possiamo usare i colori strutturali per sostituire i coloranti potenzialmente dannosi? Grazie alle attente osservazioni di Amy Goodling e Lauren Zarzar alla Penn State e alla modellazione di Sara, che ha portato alla luce questo effetto e la sua spiegazione fisica, potrebbe esserci una risposta".

Sara Nagelberg del MIT, insieme all'autore principale Goodling, Zarzar, e altri da Penn State, sono i coautori di Kolle sull'articolo.

Segui l'arcobaleno

L'anno scorso, Zarzar e Goodling stavano studiando emulsioni di goccioline trasparenti fatte da una miscela di oli di diversa densità. Stavano osservando le interazioni delle goccioline in una capsula di Petri trasparente, quando notarono che le gocce apparivano sorprendentemente blu. Hanno scattato una foto e l'hanno inviata a Kolle con una domanda:perché qui c'è il colore?

Inizialmente, Kolle pensava che il colore potesse essere dovuto all'effetto che provoca gli arcobaleni, in cui la luce del sole viene reindirizzata dalle gocce di pioggia e i singoli colori vengono separati in direzioni diverse. In fisica, La teoria della dispersione di Mie viene utilizzata per descrivere il modo in cui sfere come le gocce di pioggia diffondono un piano di onde elettromagnetiche, come la luce solare in arrivo. Ma le goccioline osservate da Zarzar e Goodling non erano sfere, ma piuttosto, emisferi o cupole su una superficie piana.

"Inizialmente abbiamo seguito questo effetto che causa l'arcobaleno, "dice Nagelberg, che ha guidato lo sforzo di modellazione per cercare di spiegare l'effetto. "Ma si è rivelato essere qualcosa di molto diverso."

Ha notato che le goccioline emisferiche della squadra hanno rotto la simmetria, nel senso che non erano sfere perfette, un fatto apparentemente ovvio ma comunque importante, poiché significava che la luce dovrebbe comportarsi diversamente negli emisferi rispetto alle sfere. Nello specifico, la superficie concava di una semisfera permette un effetto ottico non possibile nelle sfere perfette:riflessione interna totale, o TIR.

La riflessione interna totale è un fenomeno in cui la luce colpisce un'interfaccia tra un mezzo ad alto indice di rifrazione (acqua, per esempio) a un mezzo con indice di rifrazione più basso (come l'aria) con un angolo elevato in modo tale che il 100 percento di quella luce venga riflesso. Questo è l'effetto che consente alle fibre ottiche di trasportare la luce per chilometri con perdite ridotte. Quando la luce entra in una singola goccia, è riflesso da TIR lungo la sua interfaccia concava.

Infatti, una volta che la luce si fa strada in una goccia, Nagelberg ha scoperto che può prendere strade diverse, rimbalzare due, tre, o più volte prima di uscire con un'altra angolazione. Il modo in cui i raggi di luce si sommano quando escono determina se una goccia produrrà colore o meno.

Per esempio, due raggi di luce bianca, contenente tutte le lunghezze d'onda visibili della luce, entrando con la stessa angolazione ed uscendo con la stessa angolazione, potrebbe prendere percorsi completamente diversi all'interno di una goccia. Se un raggio rimbalza tre volte, ha un percorso più lungo di un raggio che rimbalza due volte, in modo che resti leggermente indietro prima di uscire dalla gocciolina. Se questo ritardo di fase fa sì che le onde dei due raggi siano in fase (il che significa che gli avvallamenti e le creste delle onde sono allineati), sarà visibile il colore corrispondente a quella lunghezza d'onda. Questo effetto di interferenza, che alla fine produce colore in goccioline altrimenti chiare, è molto più forte nelle goccioline piccole piuttosto che in quelle grandi.

"Quando c'è interferenza, è come se i bambini facessero onde in una piscina, " dice Kolle. "Se fanno quello che vogliono, non c'è una somma costruttiva degli sforzi, e solo un sacco di casino in piscina, o modelli di onde casuali. Ma se tutti spingono e tirano insieme, hai una grande onda. È lo stesso qui:se ottieni onde in fase che escono, ottieni più intensità di colore."

Un tappeto di colore

Il colore che producono le goccioline dipende anche dalle condizioni strutturali, come la dimensione e la curvatura delle goccioline, insieme agli indici di rifrazione della goccia.

Nagelberg ha incorporato tutti questi parametri in un modello matematico per prevedere i colori che le goccioline avrebbero prodotto in determinate condizioni strutturali e ottiche. Zarzar e Goodling hanno quindi testato le previsioni del modello rispetto a goccioline reali prodotte in laboratorio.

Primo, il team ha ottimizzato l'esperimento iniziale, creare emulsioni di goccioline, le cui dimensioni potevano controllare con precisione utilizzando un dispositivo microfluidico. hanno prodotto, come descrive Kolle, un "tappeto" di goccioline della stessa identica dimensione, in una capsula di Petri trasparente, che illuminavano con un solo, luce bianca fissa. Hanno quindi registrato le goccioline con una telecamera che girava intorno al piatto, e osservò che le goccioline mostravano colori brillanti che cambiavano man mano che la telecamera girava intorno. Ciò ha dimostrato come l'angolo con cui si vede la luce entrare nella gocciolina influisce sul colore della gocciolina.

Il team ha anche prodotto goccioline di varie dimensioni su un singolo film e ha osservato che da un'unica direzione di visione, il colore diventerebbe più rosso all'aumentare della dimensione delle gocce, e poi tornava al blu e tornava indietro. Questo ha senso secondo il modello, poiché le goccioline più grandi darebbero alla luce più spazio per rimbalzare, creando percorsi più lunghi e ritardi di fase più grandi.

Per dimostrare l'importanza della curvatura nel colore di una goccia, il team ha prodotto la condensazione dell'acqua su una pellicola trasparente che è stata trattata con una soluzione idrofoba (idrorepellente), con le goccioline che formano la forma di un elefante. Le parti idrofobe hanno creato goccioline più concave, mentre il resto del film ha creato goccioline meno profonde. La luce potrebbe rimbalzare più facilmente nelle goccioline concave, rispetto alle goccioline poco profonde. Il risultato è stato un modello di elefante molto colorato su uno sfondo nero.

Oltre alle goccioline liquide, i ricercatori hanno stampato in 3D minuscoli, tappi pieni e cupole da vari trasparenti, materiali a base di polimeri, e osservato un simile effetto colorato in queste particelle solide, che potrebbe essere previsto dal modello del team.

Kolle prevede che il modello possa essere utilizzato per progettare goccioline e particelle per una serie di applicazioni che cambiano colore.

"C'è uno spazio di parametri complessi con cui puoi giocare, " Dice Kolle. "Puoi adattare la dimensione di una goccia, morfologia, e condizioni di osservazione per creare il colore che desideri."