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    图片:菲菲弗兰克尔

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  • 从上面看到的,透明的微滴在培养皿中,用白色光照射,表现为各种颜色,这取决于它们的尺寸和形状。

    从上面看到的,透明的微滴在培养皿中,用白色光照射,表现为各种颜色,这取决于它们的尺寸和形状。

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工程师明确液滴产生彩虹的颜色

通过调谐大小,照明角和曲率,bt365手机app的工程师可以产生绚丽的色彩,在图案它们可以预测,在否则透明液滴。

光学效应,可以开发利用光显示器,石蕊测试,和化妆产品。 看视频


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在bt365手机app和宾夕法尼亚州立大学的工程师们发现,在适当条件下,在透明表面普通的透明的水滴能产生鲜艳的颜色,不加入油墨或染料。

在一份文件中今天发表于 性质中,研究小组报道覆盖透明液滴的细雾,点燃与单个灯的表面应产生亮色,如果每一个微小的液滴的恰恰是相同的大小。

这虹彩效应是由于“结构颜色”,其中一个对象产生颜色仅仅是由于光与它的几何结构交互的方式。效果可能解释某些虹彩现象,如在塑料盘或水瓶内的五颜六色的缩合。

研究人员已经开发出预测颜色的液滴会产生一个模型,给出了具体的结构和光学条件。该模型可作为设计指南,以产生,例如,基于液滴的石蕊测试或变色的粉末和在彩妆产品油墨。

“在消费类产品用于创建鲜艳的色彩合成染料可能不会像健康的,因为他们应该是,”马蒂亚斯kolle,bt365手机app机械工程助理教授说。 “一些这些染料更强烈的调控,企业都在问,我们可以使用构造色来代替可能不健康的染料?由于艾米古德林和劳伦在仔细的观察zarzar在宾夕法尼亚州立大学和Sara的造型,带来这种效果和光的物理解释,有可能是一个答案“。

bt365手机app的萨拉nagelberg,与主要作者古德林,zarzar,并从宾夕法尼亚州立大学等一起,是kolle的在纸上的合着者。

按照彩虹

去年,zarzar和古德林正在研究从不同密度的油的混合物制成的透明滴乳液。他们观察水滴的互动中明确的培养皿中,当他们注意到滴出现令人惊讶的蓝色。他们拍了一张照片,并用一个问题寄给了kolle:为什么会出现在这里的颜色?

最初,kolle认为颜色可能是由于导致彩虹效果,其中太阳光被雨滴和各个颜色重定向被分成不同的方向。在物理学中,Mie散射理论用于描述球体诸如雨滴的方式散射电磁波,如入射太阳光的平面。但zarzar和古德林观察液滴不是球形,而是在一个平面上半球或圆顶。

“最初,我们遵循了这一彩虹造成影响,” nagelberg,谁为首的建模工作试图解释的效果说。 “但它竟然是完全不同的东西。”

她指出,球队的半球形水滴打破对称,这意味着他们并不是完美的球体 - 一个看似明显的事实,但仍然一个重要的,因为这意味着光要表现不同的半球与球体。具体地,一个半球的凹面允许这是不可能完美球体的光学效果:全内反射,或者TIR。

全内反射在光撞击高折射率介质之间的界面(水,例如)的现象以高角度,使得光的100%的被反射的折射率低介质(如空气)。这是允许的光纤携带的光具有低损失公里的效果。当光入射到单个液滴,它由沿其凹接口TIR反射。

事实上,一旦光使得其方式成液滴,nagelberg发现它可以采取不同的路径,在另一角度退出之前弹跳两个,三个,或更多次。方式光线加起来,因为他们出口确定的液滴是否会产生颜色或没有。

例如,白色光的两条射线,含有光的所有可见波长,以相同的角度进入并以相同的角度离开,可以采取一个液滴中完全不同的路径。如果一个线反弹三次,它具有比反弹的两倍,因此它在退出液滴之前稍微滞后的光线更长的路径。如果这个相位滞后导致两条射线波相是(意味着波波谷和波峰对准),对应于该波长的颜色将可见。这种干扰的效果,这最终产生颜色中另有清楚的液滴,是在小而非大液滴强得多。

“当有干扰,它就像孩子们在游泳池兴风作浪,” kolle说。 “如果他们为所欲为,没有建设性加起来的努力,只是在游泳池一大堆乱七八糟的,或随机的波形。但如果他们所有的推,拉在一起,你会得到一个大浪。这是同样的问题:如果您在阶段走出来让波浪,你得到色彩更强度“。

颜色的地毯

该液滴也产生颜色取决于结构条件,如液滴的尺寸和曲率,与液滴的折射率沿。

nagelberg并入所有这些参数为一个数学模型来预测,液滴将在一定的结构和光学条件产生的颜色。 zarzar和古德林然后测试模型的反对,他们在实验室中产生的实际液滴的预测。

第一,该球队优化它们的初始实验中,产生液滴的乳液,其中它们可以精确地控制使用微流体装置的尺寸。它们产生,如kolle描述,一个完全相同的尺寸的液滴的“地毯”,以明确培养皿,其具有单个的,固定的白光照亮。它们然后记录在液滴周围的菜盘旋中的摄像机,观察到液滴表现出鲜艳的色彩的是移位作为照相机盘旋。这足以证明,在光被认为是进入液滴的角度如何影响液滴的颜色。

球队也产生各种大小的微滴上的单层膜并观察到从一个单一的观察方向,色彩将通过再次移,如微滴大小增加更红,然后将环回蓝和周期。这是有意义的,根据该模型,如较大的液滴会给光更多的空间来反弹,产生较长的路径,以及较大的相位滞后。

证明曲率以液滴的颜色的重要性,该球队产生上,将其用疏水性(拒水)溶液处理,与形成大象的形状液滴的透明膜的水冷凝。疏水部分创建的多个凹液滴,而膜的其余部分产生较浅的液滴。光可以更容易地反弹,在凹液滴相比,浅液滴。结果是在黑色背景非常丰富多彩的大象图案。

除了液滴,研究人员的3-D印刷微小的,固体帽和来自各种透明的,基于聚合物的材料的圆顶,并且观察到在这些固体颗粒的类似多彩效果,即可以通过该球队的模型预测。

kolle预计,该模型可被用于设计液滴和颗粒为颜色变化的应用的阵列。

“有一个复杂的参数空间,你可以玩,” kolle说。 “你可以定制一个液滴的大小,形态和观测条件去创造你想要的颜色。”

这项研究得到了支持,部分由美国国家科学基金会和U。秒。通过在bt365手机app士兵纳米技术的军队研究办公室。


主题: 流体动力学, 机械工业, 物理, 研究, 工程学院, , 美国国家科学基金会(NSF)

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