インクを使わず水滴を虹色に――光の全反射をコントロールして水滴を発色させる方法を発見

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Image: Felice Frankel

マサチューセッツ工科大学(MIT)とペンシルバニア州立大学(UPenn)の研究者らが、透明の水滴がインクや染料なしに、虹のように発色することを発見した。水滴内部での光の全反射によるもので、水滴のサイズや曲率などの条件によってどのように発色するのかを予測する数学モデルの作成にも成功している。

半球体の水滴では入射光はその角度によって全反射する。研究者らは今回、光が水滴に入ってから外に出るまでに複数回全反射する条件を見つけ、水滴の発色をコントロールする方法を発見した。

例えば、同じ角度で入った2本の白色光でも、水滴内で全く異なる経路をたどりうる。1本の光線が3回反射すると、2回反射する光線よりも光路が長くなるので、水滴から出るのがわずかに遅い。この位相差によって2本の光線の波長に対応した色が見えるようになる。

水滴の発色は、その屈折率やサイズ、曲率などの条件によって異なる。MITのSara Nagelberg氏は、特定の条件下での水滴の発色を予測するため、これらのパラメータを数学モデルに組み込んだ。そしてUPennのAmy Goodling氏とLauren Zarzar氏は、水滴がモデル通りに発色するかを試す実験を行った。

研究チームは水滴を透明なペトリ皿に敷き詰め、単一の白色光で照らし、カメラで周回しながら記録した。その結果、カメラが皿の周りをまわるにつれ、水滴が放つ鮮やかな色が変化することが観察された。これにより、光の入射角が水滴の発色にどのように影響するかが示された。

次にサイズの影響について確認するため、1つのフィルム上にさまざまなサイズの水滴を生成して一定の方向から観察した。その結果はモデル同様、水滴のサイズが大きくなるにつれ、その色は赤、青、赤、青と変化を繰り返す。発表によると、この現象が生じるのは、水滴が大きくなると光の跳ね返る空間が増え、光路が長くなり位相差が大きくなるからだという。

最後に曲率の重要性を実証するため、研究チームは透明フィルム上に水の凝縮を生じさせた。フィルムは部分的に疎水性溶液で撥水処理し、その部分に水滴で象の形が形成されるようにした。撥水処理された部分の水滴は凹みが深く、残りの部分の水滴は凹みが浅い。光は凹みの深い水滴でより容易に跳ね返るため、黒い背景に対して非常にカラフルな象のパターンが形成された。

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