相信大家都有过这样的经历:无意中将油滴抹在纸张上时,会发现抹了油的位置透明度更高了,这到底是为什么呢?要回答这个问题,我们首先得思考纸张为什么是不透明的?也就是说,光入射到纸张上,大部分光没有透过纸张,那它们到底去哪儿了?毫无疑问,有一部分光线被纸张吸收了。但是,油并不会影响纸张对光的吸收,所以这不是主要原因。
为了探究光线照射到纸张上时,除了吸收还会发生什么,我们使用激光共聚焦显微系统对均匀纸张的表面进行了观察。可以看出,即便纸张看起来很光滑平整,但微观上还是由大量纤维交织而成的。纤维折射率比较高,而空气折射率只有1。对光线来说,入射到一个界面时,两侧折射率差异越大,反射越强。因此,纤维的表面会对光线进行较强的反射。这些纤维的结构、方向、尺寸等千差万别,因此形成了均匀的漫反射效果。
这个过程类似于将一块玻璃敲碎成残渣甚至粉末的过程,原本透明的玻璃由于内部出现了大量反射光线的界面,就变成白色不透明的了。回到滴上油的纸张透光率增加的问题。为此,我们利用激光共聚焦显微系统的三维结构重构功能,观察纸张纤维的三维结构。可以看出,纸张纤维结构之间存在大量的缝隙和空腔。因此,油滴到纸张表面时,油会浸入并充满空隙之中。
而油的折射率更接近纸张,于是,纤维和油的界面对光的反射会弱很多,主要的反射仅存在于被油抹平的表面与空气之间。这就相当于重新将玻璃渣熔炼成了一整块玻璃。结果就是光线透过纸张的比例大大增加,从整体效果上就显得更加透明了。有的读者可能会问,为什么水的效果没有油这么好呢?
这主要有两方面原因:最主要的原因是水的折射率比油低,相比之下油与纸张纤维的折射率更为接近;第二个原因是水会逐渐蒸发,所以没法像油那样长时间保持透明效果,因此观察效果会差一些。