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科学家创造人工彩虹

在科学和美学上具有应用前景

时间:2019-03-06 10:14:59 来源:中国科学报

  化学家偶然发现了一种将反射光分离成彩虹颜色的新方法。这一令人惊讶的简单技术是先前已有技术的混合体,它可能在科学和美学上具有应用前景。


  “这真的很酷。”并未参与这项研究的加拿大科洛纳英属哥伦比亚大学光学工程师Kenneth Chau说,“我很惊讶自己没有在实验室里看到它。”


  在彩虹色的形成过程中,物体以不同的角度反射不同的颜色,将白光分离成组成它的颜色。一种方法是通过折射,即光从一种半透明介质到另一种半透明介质时产生的弯曲。例如,光线在进入球形雨滴时发生弯曲,然后又在离开雨滴时再次弯曲,彩虹也就随即产生。这一过程以略微不同的角度重新定向不同的颜色,将它们分散开来,最终形成彩虹。


  当一层半透明的薄膜浮在反射表面时(就像水坑里的油一样)也会产生彩虹色。有些光波从薄膜的顶部反射,有些则从底部反射。根据薄膜的厚度、被观察的角度以及光的波长,波会重新组合并相互干扰,从而增强或抵消。这种薄膜干涉使得一个油水坑呈现出五颜六色的条纹。


  此外,当光反射到更复杂的周期性结构上时,如一张光盘的凹槽,这种衍射就会产生彩虹色。同样的,光波从凹槽中反射回来,根据光的波长和被观察的角度,可以相互干扰以增强或消除。这种衍射解释了一些蝴蝶翅膀和人造光子晶体的绚丽色彩。


  如今,美国宾夕法尼亚州立大学材料化学家Lauren Zarzar和他的同事报告说,他们用一种新方法产生了彩虹色。研究人员在2017年初发现了这种现象,当时他们将含有两种油的微米大小的球形液滴加热,其中较轻的油形成了一种扁豆状的上层,研究人员希望将其用作透镜。但令人惊讶的是,当从上面照射时,“扁豆”的边缘会发出一种颜色,而这种颜色取决于它们的大小和被观察的角度。科学家在2月27日出版的《自然》杂志上报告了这一2019注册送白菜论坛。


  Zarzar说,她的研究小组肯定不是第一个看到这种效果的。“人们走过来对我说,‘哦,我完全明白你在说什么!我也见过这种现象’。”然而,我们进行的文献检索并没有发现这方面的研究。Zarzar表示,研究人员认为这一定是折射或衍射效应,但这些模式与数据不符。


  由团队成员、剑桥市麻省理工学院机械工程师Sara Nagelberg和Mathias Kolle进行的计算机模拟得出了结论。他们的分析显示,彩虹色是通过一种新的机制产生的,这种机制融合了先前已知的某些过程。


  最终,这种效应可以在一个简单得多的系统—— 一个皮氏培养皿的盖子下方凝结并悬挂的水滴中得到证明和最容易的解释。进入水滴一侧边缘的光波在靠近另一侧边缘之前,会在水滴的圆顶上反射两次甚至更多次,就像彩虹中的光线在雨滴中反射那样。然而,光线以稍微不同的距离进入水滴中心便可以被反射不同的次数。波的不同次数的反弹可以相互干扰和加强,就像在衍射或薄膜干涉中发生的那样。因此,不同的颜色出现在不同的角度,这可以通过改变液滴的大小来控制。


  Zarzar说:“我们真的绞尽脑汁想了好长一段时间。没有其他解释能与这种效果相匹配。”Chau说:“他们做了大量细致的实验和模拟,以便观察这种效应是如何产生的。”


  工程师已经使用薄膜和折射粒子在视频显示器、油漆和装饰墙面上创造出彩虹色。由于其简单性和可调节性,这种新效果可能为创造彩色的世界开辟新道路。Chau说,它有一个明显的局限性——入射的白光必须来自一个特定的方向,所以这种效果在环境光下不起作用。尽管如此,“人类总是在寻找新的和不同的方法来制造人工色彩。”他说,“我预计,这肯定会带来大量的探索。”


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