Los ingenieros del MIT y la Universidad de Penn State han descubierto que, en las condiciones adecuadas, Las gotas de agua clara ordinarias sobre una superficie transparente pueden producir colores brillantes, sin la adición de tintas o colorantes.

En un artículo publicado hoy en Naturaleza , el equipo informa que una superficie cubierta por una fina niebla de gotas transparentes e iluminada con una sola lámpara debería producir un color brillante si cada pequeña gota tiene exactamente el mismo tamaño.

Este efecto iridiscente se debe al "color estructural, "por el cual un objeto genera color simplemente debido a la forma en que la luz interactúa con su estructura geométrica. El efecto puede explicar ciertos fenómenos iridiscentes, como la condensación de colores en un plato de plástico o dentro de una botella de agua.

Los investigadores han desarrollado un modelo que predice el color que producirá una gota, dadas las condiciones ópticas y estructurales específicas. El modelo podría utilizarse como guía de diseño para producir, por ejemplo, pruebas de tornasol a base de gotas, o polvos y tintas que cambian de color en productos de maquillaje.

"Los tintes sintéticos que se utilizan en productos de consumo para crear colores brillantes pueden no ser tan saludables como deberían ser, "dice Mathias Kolle, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Como algunos de estos tintes están más regulados, las empresas preguntan ¿Podemos usar colores estructurales para reemplazar tintes potencialmente nocivos para la salud? Gracias a las cuidadosas observaciones de Amy Goodling y Lauren Zarzar en Penn State y al modelo de Sara, que sacó a la luz este efecto y su explicación física, podría haber una respuesta ".

Sara Nagelberg del MIT, junto con el autor principal Goodling, Zarzar y otros de Penn State, son los coautores de Kolle en el artículo.

Sigue el arcoiris

El año pasado, Zarzar y Goodling estaban estudiando emulsiones de gotas transparentes hechas de una mezcla de aceites de diferente densidad. Estaban observando las interacciones de las gotas en una placa de Petri transparente, cuando notaron que las gotas parecían sorprendentemente azules. Tomaron una foto y se la enviaron a Kolle con una pregunta:¿Por qué hay color aquí?

Inicialmente, Kolle pensó que el color podría deberse al efecto que causa los arcoíris, en el que la luz del sol es redirigida por gotas de lluvia y los colores individuales se separan en diferentes direcciones. En física, La teoría de la dispersión de Mie se utiliza para describir la forma en que esferas como las gotas de lluvia dispersan un plano de ondas electromagnéticas, como la luz solar entrante. Pero las gotas que observaron Zarzar y Goodling no eran esferas, sino más bien, hemisferios o cúpulas sobre una superficie plana.

"Inicialmente seguimos este efecto de arco iris, "dice Nagelberg, quien encabezó el esfuerzo de modelado para tratar de explicar el efecto. "Pero resultó ser algo muy diferente".

Ella notó que las gotas hemisféricas del equipo rompieron la simetría, lo que significa que no eran esferas perfectas, un hecho aparentemente obvio pero sin embargo importante, ya que significaba que la luz debería comportarse de manera diferente en hemisferios frente a esferas. Específicamente, la superficie cóncava de un hemisferio permite un efecto óptico que no es posible en esferas perfectas:reflexión interna total, o TIR.

La reflexión interna total es un fenómeno en el que la luz incide en una interfaz entre un medio de alto índice de refracción (agua, por ejemplo) a un medio de índice de refracción más bajo (como el aire) en un ángulo alto de modo que se refleje el 100 por ciento de esa luz. Este es el efecto que permite a las fibras ópticas transportar luz durante kilómetros con poca pérdida. Cuando la luz entra en una sola gota, TIR lo refleja a lo largo de su interfaz cóncava.

De hecho, una vez que la luz se convierte en una gota, Nagelberg descubrió que puede tomar diferentes caminos, rebotando dos, Tres, o más veces antes de salir en otro ángulo. La forma en que se acumulan los rayos de luz a medida que salen determina si una gota producirá color o no.

Por ejemplo, dos rayos de luz blanca, que contiene todas las longitudes de onda de luz visibles, entrando en el mismo ángulo y saliendo en el mismo ángulo, podría tomar caminos completamente diferentes dentro de una gota. Si un rayo rebota tres veces, tiene un camino más largo que un rayo que rebota dos veces, de modo que se retrase un poco antes de salir de la gota. Si este retraso de fase da como resultado que las ondas de los dos rayos estén en fase (lo que significa que los valles y crestas de las ondas están alineados), el color correspondiente a esa longitud de onda será visible. Este efecto de interferencia, que en última instancia produce color en gotas que de otro modo serían claras, es mucho más fuerte en gotas pequeñas que en gotas grandes.

"Cuando hay interferencia, es como niños haciendo olas en una piscina, "Kolle dice." Si hacen lo que quieran, no hay una suma constructiva de esfuerzo, y mucho lío en la piscina, o patrones de ondas al azar. Pero si todos empujan y se juntan, obtienes una gran ola. Es lo mismo aquí:si aparecen ondas en fase, obtienes más intensidad de color ".

Una alfombra de color

El color que producen las gotas también depende de las condiciones estructurales, como el tamaño y la curvatura de las gotas, junto con los índices de refracción de la gota.

Nagelberg incorporó todos estos parámetros en un modelo matemático para predecir los colores que producirían las gotas bajo ciertas condiciones estructurales y ópticas. Luego, Zarzar y Goodling probaron las predicciones del modelo contra las gotas reales que produjeron en el laboratorio.

Primero, el equipo optimizó su experimento inicial, creando emulsiones de gotitas, cuyos tamaños podrían controlar con precisión mediante un dispositivo de microfluidos. Ellos produjeron, como describe Kolle, una "alfombra" de gotas del mismo tamaño exacto, en una placa de Petri transparente, que iluminaron con un solo, Luz blanca fija. Luego registraron las gotas con una cámara que giraba alrededor del plato, y observó que las gotas exhibían colores brillantes que cambiaban a medida que la cámara daba vueltas. Esto demostró cómo el ángulo en el que se ve que la luz entra en la gota afecta el color de la gota.

El equipo también produjo gotas de varios tamaños en una sola película y observó que desde una sola dirección de visualización, el color se volvería más rojo a medida que aumentara el tamaño de la gota, y luego volvería a azul y volvería a pasar. Esto tiene sentido según el modelo, ya que las gotas más grandes darían a la luz más espacio para rebotar, creando trayectorias más largas y retrasos de fase más grandes.

Para demostrar la importancia de la curvatura en el color de una gota, el equipo produjo condensación de agua en una película transparente que fue tratada con una solución hidrofóbica (repelente al agua), con las gotitas formando la forma de un elefante. Las partes hidrofóbicas crearon gotas más cóncavas, mientras que el resto de la película creó gotas menos profundas. La luz podría rebotar más fácilmente en las gotas cóncavas, en comparación con las gotas poco profundas. El resultado fue un patrón de elefante muy colorido sobre un fondo negro.

Además de las gotas de líquido, los investigadores imprimieron en 3D diminuto, tapas sólidas y cúpulas de varios transparentes, materiales a base de polímeros, y observó un efecto colorido similar en estas partículas sólidas, que podría predecirse con el modelo del equipo.

Kolle espera que el modelo pueda usarse para diseñar gotas y partículas para una variedad de aplicaciones de cambio de color.

"Hay un espacio de parámetros complejo con el que puedes jugar, "Kolle dice." Puedes adaptar el tamaño de una gota, morfología, y condiciones de observación para crear el color que desee ".