如何从透明中变出五彩斑斓?

作者: 窗敲雨

来源: 果壳

发布日期: 2019-03-08

本文详细介绍了如何通过简单的实验观察到五彩斑斓的水雾现象,并解释了其背后的光学原理。这种现象是由全反射和干涉两种光学现象共同作用的结果,且非常依赖于液滴的大小和形状。

当潮湿温暖的空气遇到凉凉的眼镜片、镜子或者其他类似的表面,冷凝的小水滴总是会在上面蒙上一层“薄雾”。这层雾看起来是什么颜色?你可能会说,当然是白色啦!毕竟它都是由无色透明的小水珠组成的嘛。但是,事情没有这么简单。在特定的情况下,原本无色的小水珠其实能形成一层五彩斑斓的雾!而且这还不是最厉害的。真正最厉害的是——这层五彩斑斓的水雾发在了《自然》上,而且还登上了2月28日的期刊封面。

彩色的水雾到底是怎么回事?下面我就来详细讲讲。想要观察到和Nature封面研究同款的彩色水雾,首先需要准备一个聚苯乙烯材质的透明塑料培养皿。只要有了这样道具,剩下的事情其实都很简单:只要在培养皿里倒上一些热水,盖上盖子,并用一束白光把它照亮即可。从实际观察来看,从盖上盖子起水雾色彩的分布一直都在变化,这些色彩肉眼明显可见的时间并不会维持很久。

而如果在显微镜下观察这些彩色水雾,会发现这些微米级的小水滴边缘都有一个明亮的“彩色光圈”。不同大小的液滴“光圈”颜色各不相同。彩色从哪儿来?首先需要说明:这不是一道迷你版的彩虹,也不是一个个超小号肥皂泡。水雾上的色彩形成原因和颜色的分布规律都与这两种常见现象不同。研究者发现,彩色水雾其实是两种光学现象共同作用的结果:一个是全反射,一个是干涉。

当光线从折射率大介质入射,并且角度超过一个临界值时就会发生全反射。而当光线从上方入射时,它就很容易沿着培养皿下壁的液滴边缘发生全反射。光线可能会从不同的路径发生全反射,这些路径的长度不同,因此光线最终出射时就产生了相位差。具有相位差的光线彼此发生干涉,就能让白光变成不同的色彩。这个效应取决于液滴的折射率,同时也非常依赖液滴的大小和形状。

一定要选择塑料而不是玻璃的培养皿,就是为了让挂壁的水滴形成合适的形状。这种小液滴的虹彩现象最初是艾米·古德林(Amy Goodling)和劳伦·扎扎尔(Lauren Zarzar)两个人发现的。当时他们在研究一些培养皿上的透明小液滴(不过并不是水),研究中突然发现液滴看起来格外地蓝,这激起了他们的研究兴趣。除了满足好奇心,这项研究也为人们提供了一种制造结构色的新思路。

虽然培养皿盖子上的小液滴没法保持稳定,但把液滴换成聚合物小颗粒也可以实现同样的效果。而且研究者们也为这种现象建立了模型,可以预测不同条件下的颜色规律。然而,这种虹彩现象的效果非常取决于光源和观察角度,这一点会限制它的应用前景。

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