Все новости

Микрокапельного слона окрасили в радужные тона без красителей. Микрокапли воды окрасились в разные цвета благодаря геометрии своей структуры, а не химическим свойствам

Капли воды могут окраситься в луче света за счет преломления света и интерференции. При этом никаких красителей не нужно. Группа ученых из Массачусетского технологического института и Пенсильванского университета продемонстрировала, что можно заставить капли принять нужный окрас, просто разместив их на специально подготовленной подложке. Исследователи считают, что продемонстрированный ими эффект «цвета структуры» можно использовать для создания новых способов окрашивания поверхностей без применения красок.
Рисунок слона, образованный каплями на гидрофобной части дна чашки  Amy e. Goodling et al. / Nature
Описание
Рисунок слона, образованный каплями на гидрофобной части дна чашки
© Amy e. Goodling et al. / Nature

Ученые экспериментировали с частицами Януса — микроскопическими, около 50 микрометров в диаметре, каплями, состоящими из двух разных веществ, гептана и перфторгексана. И, освещая их белым светом, внезапно обнаружили, что капли ярко окрасились в разные цвета. При этом цвет зависел от угла падения света на капли. Ученые не ожидали такого перформанса от двух углеводородов, которые при комнатной температуре представляют собой бесцветные жидкости. Почему вместе они стали переливаться всеми цветами радуги, было непонятно.

Оказалось, разгадка была в форме капель. Перфторгексан и гептан вместе образовали частицу, в которой первый сформировал вогнутую подложку капли, а второй стал шариком, лежащим в подложке. Поскольку коэффициент преломления у двух веществ отличается, луч света, попавший в перфторгексан, начинает метаться внутри него, отражаясь от вогнутой поверхности и с трудом улетая в гептан и вообще из капли. Точно так же свет не всегда может покинуть капли обыкновенной воды, благодаря чему из ее толщи поверхность выглядит как колышущееся зеркало.

Эффект полного внутреннего отражения. Черепаха отражается от границы между водой и воздухом
Описание
Эффект полного внутреннего отражения. Черепаха отражается от границы между водой и воздухом

Если в каплю попадает несколько лучей, метаться они будут, скорее всего, по разным траекториям. Это значит, что и путь они пройдут разный: кто-то —  длиннее, кто-то — короче. Из-за этого в какой-то момент волны лучей могут сложиться, «попасть в унисон» или в фазу, и благодаря эффекту интерференции взаимно усилить друг друга. От того, какой длины будут эти волны, зависит цвет, в который окрасится капля.

Интерференция. Момент, когда зеленая и синяя волны совпадают пиками, показан красной волной
Описание
Интерференция. Момент, когда зеленая и синяя волны совпадают пиками, показан красной волной

Ученые провели эксперимент не только с углеводородами, но и с обычной водой, которую нанесли на нижнюю часть чашки Петри. Дно чашки предварительно обработали УФ-озоновым очистителем, то есть облучили коротковолновым ультрафиолетом. При этом над поверхностью образуется озон, который вступает в реакцию с грязью, превращая ее в летучие газы. Они улетают, а поверхность приобретает первородную чистоту и непревзойденную гидрофильность.

Ученые сделали гидрофильной не все дно Петри — они оставили нечищенное, гидрофобное пятно в форме слона. На слоновьем гидрофобном пятне микроскопические капли воды были пузатыми и выпуклыми, а на чистом и гидрофильном, конечно же, расплылись.

Как следствие, выпуклые капли лучше захватывали свет, и ученые, посветив на чашку Петри сверху, увидели яркого радужного слона.

После этого ученые создали такие же крошечные, но уже твердые частицы прозрачных полимеров и опять обнаружили, что те отражают разные цвета в зависимости от того, под каким углом на них падает свет. По мнению авторов исследования, можно играть с размером и формой капель или частиц и таким образом создавать красочное покрытие каких-нибудь поверхностей.

 Максим Абдулаев