Une boîte de Pétri contenant des émulsions de gouttelettes transparentes fabriquées à partir d'un mélange d'huiles de différentes densités et de tensioactifs à base d'eau photographiées sous différents angles. Lorsqu'elles sont éclairées par une lumière blanche, les gouttelettes d'huile reflètent différentes couleurs en fonction de la direction d'observation. De nouvelles recherches expliquent comment cette "couleur structurelle" se forme en fonction de la taille et de la courbure des gouttelettes, ainsi que la réflexion interne totale de la gouttelette. Crédit :Laboratoire Zarzar, État de Pennsylvanie
Les ingénieurs du MIT et de la Penn State University ont découvert que, dans les bonnes conditions, les gouttelettes d'eau claires ordinaires sur une surface transparente peuvent produire des couleurs brillantes, sans ajout d'encres ou de colorants.
Dans un article publié aujourd'hui dans La nature , l'équipe rapporte qu'une surface recouverte d'une fine brume de gouttelettes transparentes et éclairée avec une seule lampe devrait produire une couleur vive si chaque minuscule gouttelette est exactement de la même taille.
Cet effet irisé est dû à la "couleur structurelle, " par lequel un objet génère de la couleur simplement en raison de la façon dont la lumière interagit avec sa structure géométrique. L'effet peut expliquer certains phénomènes irisés, comme la condensation colorée sur un plat en plastique ou à l'intérieur d'une bouteille d'eau.
Les chercheurs ont développé un modèle qui prédit la couleur qu'une gouttelette produira, dans des conditions structurelles et optiques spécifiques. Le modèle pourrait être utilisé comme un guide de conception pour produire, par exemple, tests décisifs à base de gouttelettes, ou des poudres et encres qui changent de couleur dans les produits de maquillage.
"Les colorants synthétiques utilisés dans les produits de consommation pour créer des couleurs vives peuvent ne pas être aussi sains qu'ils devraient l'être, " dit Mathias Kolle, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. "Comme certains de ces colorants sont plus fortement réglementés, les entreprises demandent, pouvons-nous utiliser des couleurs structurelles pour remplacer les colorants potentiellement malsains ? Grâce aux observations minutieuses d'Amy Goodling et Lauren Zarzar à Penn State et au modelage de Sara, qui a mis en lumière cet effet et son explication physique, il y a peut-être une réponse."
Sara Nagelberg du MIT, avec l'auteur principal Goodling, Zarzar, et d'autres de Penn State, sont les co-auteurs de Kolle sur le papier.
Suivez l'arc-en-ciel
L'année dernière, Zarzar et Goodling étudiaient des émulsions de gouttelettes transparentes fabriquées à partir d'un mélange d'huiles de densité différente. Ils observaient les interactions des gouttelettes dans une boîte de Pétri transparente, quand ils ont remarqué que les gouttes semblaient étonnamment bleues. Ils ont pris une photo et l'ont envoyée à Kolle avec une question :pourquoi y a-t-il de la couleur ici ?
Couleur structurelle des gouttelettes d'eau claires. Des gouttelettes d'eau microscopiques condensées sur une feuille de plastique transparent reflètent différentes couleurs vives en fonction de leur taille. Crédit :Laboratoire Zarzar, État de Pennsylvanie
Initialement, Kolle pensait que la couleur pourrait être due à l'effet qui provoque les arcs-en-ciel, dans lequel la lumière du soleil est redirigée par les gouttes de pluie et les couleurs individuelles sont séparées dans différentes directions. En physique, La théorie de la diffusion de Mie est utilisée pour décrire la façon dont les sphères telles que les gouttes de pluie diffusent un plan d'ondes électromagnétiques, comme la lumière du soleil entrante. Mais les gouttelettes que Zarzar et Goodling ont observées n'étaient pas des sphères, mais plutôt, hémisphères ou dômes sur une surface plane.
"Au départ, nous avons suivi cet effet arc-en-ciel, " dit Nagelberg, qui a dirigé l'effort de modélisation pour tenter d'expliquer l'effet. "Mais il s'est avéré que c'était quelque chose de très différent."
Elle a noté que les gouttelettes hémisphériques de l'équipe brisaient la symétrie, ce qui signifie qu'ils n'étaient pas des sphères parfaites - un fait apparemment évident mais néanmoins important, car cela signifiait que la lumière devrait se comporter différemment dans les hémisphères par rapport aux sphères. Spécifiquement, la surface concave d'un hémisphère permet un effet optique qui n'est pas possible dans des sphères parfaites :réflexion interne totale, ou TIR.
La réflexion interne totale est un phénomène dans lequel la lumière frappe une interface entre un milieu à indice de réfraction élevé (eau, par exemple) à un milieu à indice de réfraction inférieur (tel que l'air) à un angle élevé tel que 100 pour cent de cette lumière soit réfléchie. C'est l'effet qui permet aux fibres optiques de transporter la lumière sur des kilomètres avec une faible perte. Lorsque la lumière pénètre dans une seule gouttelette, il est réfléchi par le TIR le long de son interface concave.
En réalité, une fois que la lumière fait son chemin dans une gouttelette, Nagelberg a découvert qu'il peut emprunter des chemins différents, rebondir deux, Trois, ou plusieurs fois avant de sortir sous un autre angle. La façon dont les rayons lumineux s'additionnent à leur sortie détermine si une gouttelette produira une couleur ou non.
Une image d'un pingouin réfléchie par l'huile dans les gouttelettes d'eau ; des images de chaque type de gouttelette reflétant la lumière bleue et verte sont affichées. Le pingouin est fabriqué en utilisant un tensioactif sensible à la lumière et en modelant la forme de la gouttelette. Crédit :Laboratoire Zarzar, État de Pennsylvanie
Par exemple, deux rayons de lumière blanche, contenant toutes les longueurs d'onde visibles de la lumière, entrant sous le même angle et sortant sous le même angle, pourrait prendre des chemins totalement différents dans une gouttelette. Si un rayon rebondit trois fois, il a un chemin plus long qu'un rayon qui rebondit deux fois, de sorte qu'il soit légèrement en retard avant de sortir de la gouttelette. Si ce décalage de phase fait que les ondes des deux rayons sont en phase (c'est-à-dire que les creux et les crêtes des ondes sont alignés), la couleur correspondant à cette longueur d'onde sera visible. Cet effet d'interférence, qui produit finalement de la couleur dans des gouttelettes par ailleurs claires, est beaucoup plus fort dans les petites gouttelettes que dans les grosses gouttelettes.
"Quand il y a des interférences, c'est comme des enfants qui font des vagues dans une piscine, " dit Kolle. " S'ils font ce qu'ils veulent, il n'y a pas d'addition constructive d'efforts, et juste beaucoup de désordre dans la piscine, ou des modèles d'ondes aléatoires. Mais s'ils poussent tous ensemble, vous obtenez une grosse vague. C'est la même chose ici :si vous obtenez des vagues en phase qui sortent, vous obtenez plus d'intensité de couleur."
Un tapis de couleur
La couleur que produisent les gouttelettes dépend également des conditions structurelles, telles que la taille et la courbure des gouttelettes, ainsi que les indices de réfraction de la gouttelette.
Nagelberg a incorporé tous ces paramètres dans un modèle mathématique pour prédire les couleurs que les gouttelettes produiraient dans certaines conditions structurelles et optiques. Zarzar et Goodling ont ensuite testé les prédictions du modèle par rapport aux gouttelettes réelles qu'ils ont produites en laboratoire.
D'abord, l'équipe a optimisé son expérience initiale, créer des émulsions de gouttelettes, dont ils pouvaient contrôler précisément les tailles à l'aide d'un dispositif microfluidique. Ils ont produit, comme le décrit Kolle, un "tapis" de gouttelettes d'exactement la même taille, dans une boîte de Pétri transparente, qu'ils illuminaient d'un seul, lumière blanche fixe. Ils ont ensuite enregistré les gouttelettes avec une caméra qui tournait autour de la parabole, et a observé que les gouttelettes présentaient des couleurs brillantes qui se déplaçaient au fur et à mesure que la caméra tournait autour. Cela a démontré comment l'angle auquel la lumière est vue pour entrer dans la gouttelette affecte la couleur de la gouttelette.
L'équipe a également produit des gouttelettes de différentes tailles sur un même film et a observé qu'à partir d'une seule direction de vision, la couleur deviendrait plus rouge à mesure que la taille des gouttelettes augmentait, puis reviendrait au bleu et parcourrait à nouveau. Cela a du sens selon le modèle, car les gouttelettes plus grosses donneraient à la lumière plus d'espace pour rebondir, créant des chemins plus longs et des décalages de phase plus importants.
Pour démontrer l'importance de la courbure dans la couleur d'une gouttelette, l'équipe a produit une condensation d'eau sur un film transparent qui a été traité avec une solution hydrophobe (hydrofuge), avec les gouttelettes formant la forme d'un éléphant. Les parties hydrophobes ont créé des gouttelettes plus concaves, tandis que le reste du film a créé des gouttelettes moins profondes. La lumière pourrait plus facilement rebondir dans les gouttelettes concaves, par rapport aux gouttelettes peu profondes. Le résultat était un motif d'éléphant très coloré sur un fond noir.
En plus des gouttelettes liquides, les chercheurs ont imprimé en 3D de minuscules, bouchons solides et dômes de divers transparents, matériaux à base de polymère, et observé un effet coloré similaire dans ces particules solides, qui pourrait être prédit par le modèle de l'équipe.
Kolle s'attend à ce que le modèle puisse être utilisé pour concevoir des gouttelettes et des particules pour un éventail d'applications de changement de couleur.
"Il existe un espace de paramètres complexe avec lequel vous pouvez jouer, " dit Kolle. " Vous pouvez adapter la taille d'une gouttelette, morphologie, et des conditions d'observation pour créer la couleur que vous voulez."
