Engenheiros do MIT e da Penn State University descobriram que, nas condições certas, gotas comuns de água clara em uma superfície transparente podem produzir cores brilhantes, sem adição de tintas ou corantes.

Em um artigo publicado hoje em Natureza , a equipe relata que uma superfície coberta por uma névoa fina de gotículas transparentes e iluminada com uma única lâmpada deve produzir uma cor brilhante se cada gotícula minúscula tiver exatamente o mesmo tamanho.

Este efeito iridescente é devido à "cor estrutural, "pelo qual um objeto gera cor simplesmente devido à maneira como a luz interage com sua estrutura geométrica. O efeito pode explicar certos fenômenos iridescentes, como a condensação colorida em um prato de plástico ou dentro de uma garrafa de água.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo que prevê a cor que uma gota produzirá, dadas condições estruturais e ópticas específicas. O modelo pode ser usado como um guia de design para produzir, por exemplo, testes de tornassol baseados em gotas, ou pós e tintas que mudam de cor em produtos de maquiagem.

"Os corantes sintéticos usados ​​em produtos de consumo para criar cores brilhantes podem não ser tão saudáveis ​​quanto deveriam ser, "diz Mathias Kolle, professor assistente de engenharia mecânica no MIT. "Como alguns desses corantes são mais fortemente regulamentados, as empresas estão perguntando, podemos usar cores estruturais para substituir tinturas potencialmente prejudiciais à saúde? Graças às observações cuidadosas de Amy Goodling e Lauren Zarzar na Penn State e à modelagem de Sara, que trouxe esse efeito e sua explicação física à luz, pode haver uma resposta. "

Sara Nagelberg do MIT, junto com o autor principal Goodling, Zarzar, e outros da Penn State, são co-autores de Kolle no artigo.

Siga o arco-íris

Ano passado, Zarzar e Goodling estavam estudando emulsões de gotículas transparentes feitas de uma mistura de óleos de diferentes densidades. Eles estavam observando as interações das gotículas em uma placa de Petri transparente, quando notaram as gotas pareceram surpreendentemente azuis. Eles tiraram uma foto e enviaram para Kolle com uma pergunta:Por que há cor aqui?

Inicialmente, Kolle achou que a cor pode ser devido ao efeito que causa o arco-íris, em que a luz do sol é redirecionada por gotas de chuva e as cores individuais são separadas em direções diferentes. Na física, A teoria de espalhamento de Mie é usada para descrever a maneira como esferas, como gotas de chuva, espalham um plano de ondas eletromagnéticas, como a luz solar entrante. Mas as gotas que Zarzar e Goodling observaram não eram esferas, mas sim, hemisférios ou cúpulas em uma superfície plana.

"Inicialmente, seguimos esse efeito causador do arco-íris, "diz Nagelberg, que liderou o esforço de modelagem para tentar explicar o efeito. "Mas acabou sendo algo bem diferente."

Ela notou que as gotículas hemisféricas da equipe quebraram a simetria, o que significa que não eram esferas perfeitas - um fato aparentemente óbvio, mas, no entanto, importante, pois significava que a luz deveria se comportar de maneira diferente nos hemisférios e nas esferas. Especificamente, a superfície côncava de um hemisfério permite um efeito óptico que não é possível em esferas perfeitas:reflexão interna total, ou TIR.

A reflexão interna total é um fenômeno no qual a luz atinge uma interface entre um meio de alto índice de refração (água, por exemplo) para um meio de índice de refração inferior (como o ar) em um ângulo alto, de modo que 100 por cento dessa luz seja refletida. Este é o efeito que permite às fibras ópticas transportar luz por quilômetros com baixa perda. Quando a luz entra em uma única gota, é refletido pelo TIR ao longo de sua interface côncava.

Na verdade, uma vez que a luz faz o seu caminho em uma gota, Nagelberg descobriu que pode seguir caminhos diferentes, saltando dois, três, ou mais vezes antes de sair em outro ângulo. A forma como os raios de luz se acumulam à medida que saem determina se uma gota produzirá cor ou não.

Por exemplo, dois raios de luz branca, contendo todos os comprimentos de onda visíveis de luz, entrando no mesmo ângulo e saindo no mesmo ângulo, pode seguir caminhos totalmente diferentes dentro de uma gota. Se um raio pula três vezes, tem um caminho mais longo do que um raio que salta duas vezes, para que fique ligeiramente para trás antes de sair da gota. Se esse atraso de fase resultar nas ondas dos dois raios em fase (o que significa que os vales e cristas das ondas estão alinhados), a cor correspondente a esse comprimento de onda será visível. Este efeito de interferência, que acaba produzindo cor em gotículas claras, é muito mais forte em gotículas pequenas do que em grandes.

“Quando há interferência, é como crianças fazendo ondas em uma piscina, "Kolle diz." Se eles fizerem o que quiserem, não há adição construtiva de esforço, e muita bagunça na piscina, ou padrões de onda aleatórios. Mas se todos eles empurrarem e puxarem juntos, você pega uma grande onda. É o mesmo aqui:se você tiver ondas em fase saindo, você obtém mais intensidade de cor. "

Um tapete de cor

A cor que as gotículas produzem também depende das condições estruturais, como o tamanho e a curvatura das gotículas, junto com os índices de refração da gota.

Nagelberg incorporou todos esses parâmetros em um modelo matemático para prever as cores que as gotículas produziriam sob certas condições estruturais e ópticas. Zarzar e Goodling então testaram as previsões do modelo em relação às gotas reais que eles produziram no laboratório.

Primeiro, a equipe otimizou seu experimento inicial, criando emulsões de gotículas, cujos tamanhos eles poderiam controlar com precisão usando um dispositivo microfluídico. Eles produziram, como Kolle descreve, um "tapete" de gotículas exatamente do mesmo tamanho, em uma placa de Petri transparente, que eles iluminaram com um único, luz branca fixa. Eles então gravaram as gotas com uma câmera que circulou ao redor do prato, e observou que as gotas exibiam cores brilhantes que mudavam conforme a câmera circulava. Isso demonstrou como o ângulo em que a luz entra na gota afeta a cor da gota.

A equipe também produziu gotas de vários tamanhos em um único filme e observou que, de uma única direção de visualização, a cor mudaria para mais vermelho à medida que o tamanho da gota aumentasse, e então voltaria ao azul e percorreria novamente. Isso faz sentido de acordo com o modelo, já que gotas maiores dariam à luz mais espaço para saltar, criando caminhos mais longos e defasagens de fase maiores.

Para demonstrar a importância da curvatura na cor de uma gota, a equipe produziu condensação de água em um filme transparente que foi tratado com uma solução hidrofóbica (repelente de água), com as gotas em forma de elefante. As partes hidrofóbicas criaram gotas mais côncavas, enquanto o resto do filme criou gotas mais rasas. A luz poderia saltar mais facilmente nas gotículas côncavas, em comparação com as gotas rasas. O resultado foi um padrão de elefante muito colorido contra um fundo preto.

Além de gotículas líquidas, os pesquisadores imprimiram minúsculos em 3D, tampas sólidas e cúpulas de vários transparentes, materiais à base de polímeros, e observamos um efeito colorido semelhante nessas partículas sólidas, que poderia ser previsto pelo modelo da equipe.

Kolle espera que o modelo possa ser usado para projetar gotículas e partículas para uma série de aplicações de mudança de cor.

"Há um espaço de parâmetro complexo com o qual você pode brincar, "Kolle diz." Você pode ajustar o tamanho de uma gota, morfologia, e condições de observação para criar a cor desejada. "