Kolor strukturalny: pawie, Rzymianie i Robert Hooke Understand article

Author(s): Jordi Gomis-Bresco, Jose Viosca

Tłumaczenie: Elżbieta Jeziorek. Natura od tysięcy lat tworzy olśniewające efekty wizualne. Jaka zasada fizyki za nimi stoi i jak możemy ją wykorzystać?

Nanostruktury w pokrywach
skrzydłowych chrząszczy
odpowiadają za ich jaskrawy,
opalizujący kolor
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Matthew Kirkland; źródło
zdjęcia: Flickr

Kolor to sposób w jaki postrzegamy fale świetlne o różnej długości. Widziane przez nas barwy zależą od światła, które odbija się od przedmiotu i jest przekazywane do naszych oczu. Najpowszechniejszym źródłem koloru jest pigmentacja: cząsteczki pigmentu nadają kolor niemal wszystkiemu, co widzimy, łącznie z odzieżą i nami samymi.

Istnieje również inna metoda tworzenia koloru – wykorzystywana na przykład przez owoce, chrabąszcze, motyle i pawie: ubarwienie strukturalne. Ich kolor zmienia się zależnie od punktu obserwacyjnego, na skutek interferencji światła odbitego na mikrostrukturach powierzchni.  Ludzie korzystali z kolorów strukturalnych długo przed tym, zanim dowiedzieli się jak powstają, a dzisiaj natura inspiruje naukowców do dalszych badań nad tym zjawiskiem.  „Próbujemy stworzyć materiały, które manipulują światłem, wykorzystując te same zasady fizyki co natura”, mówi Pete Vukusic, profesor  biofotoniki na Uniwersytecie w Exeter, Wielka Brytania. „Naszym celem nie jest maskowanie lub ukrywanie czegoś, ale nadanie materiałom i przedmiotom ciekawych i funkcjonalnych właściwości optycznych, takich jak jaskrawość, kierunkowość czy opalizacja”.

Krótka historia inteferencji fal

Pewnego słonecznego popołudnia w XVII w. Robert Hooke dokonał odkrycia, które przeszło do historii. Zastanawiając się, dlaczego pawie pióra zmieniają barwę zależnie od kąta obserwacji (tzw. opalizacja), zanurzył pióro w wodzie i dokonał zdumiewającego odkrycia: kolor zniknął. „Fantastyczne”, napisał. Przyglądając się piórom pod mikroskopem, Hooke zauważył na ich powierzchni drobne płyteczki. Uznał je za dowód, że za powstawanie kolorów odpowiadają odbicie i załamanie światła.

 

Dwoista natura światła

Wyjaśnienie natury światła przedstawione przez Hooke’a odrzucił wkrótce Izaak Newton, według którego światło składało się z cząsteczek (nazwał je “korpuskułami”). Minęły dziesiątki lat zanim Thomas Young za pomocą interferencji, czyli zjawiska nakładania się dwóch fal, tworzących w ten sposób nową, o większej lub mniejszej amplitudzie, pokazał, że światło zachowuje się jak fala. Podczas słynnego dwuszczelinowego doświadczenia, przepuścił światło z jednego źródła przez dwie szczeliny w ekranie i obserwował znajdującą się za nim ścianę. Po przejściu przez szczeliny światło zaczęło się układać we wzór światła i ciemności, podobny do zmarszczek, rozprzestrzeniających się na powierzchni stawu. W miejscach gdzie wzory zachodziły na siebie, stawały się mocniejsze, ponieważ fale ulegały interferencji. Takie zachowanie można wytłumaczyć jedynie pojawieniem się dwóch fal, po jednej w każdej ze szczelin, które następnie nakładały się jedna na drugą, dodając się lub wygaszając w pewnych miejscach.

Wydawało się jednak, że kolejne badania przeczyły doświadczeniu Younga. Eksperyment ze złotą płytką pokazał, że pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego elektrony są wybijane z metalowej powierzchni, ale tylko wtedy, gdy światło ma wystarczająco wysoką częstotliwość, a zarazem energię, podczas gdy intensywność źródła nie decyduje o tym czy płytka rozładowuje się czy nie. To dowodziło, że wiązki światła i ultrafiolet składają się z cząstek elementarnych nazwanych fotonami.

Dzisiaj wiemy, że światło przemieszcza się jako fala, ale równocześnie składa się z paczek energii, zwanych fotonami. Światło ma dwoistą naturę.

Wiemy też, że za efekty kolorystyczne wielu ptaków i owadów odpowiada ubarwienie strukturalne, powstające w wyniku oddziaływania światła na regularne struktury o wielkości zaledwie kilkuset nanometrów. Gdy światło pada na te struktury, dzieli się na kilka odbitych fal, które nakładają się na siebie i w pewnych kierunkach i na pewnych częstotliwościach wygaszają lub wzmacniają, co postrzegamy jako jaskrawe albo opalizujące barwy. Systemami pigmentowymi rządzą zupełnie inne zasady fizyki, co tłumaczy, dlaczego ubarwienie strukturalne bywa o wiele bardziej jaskrawe. „Pigmenty zarówno odbijają, jaki i pochłaniają światło. Właśnie te procesy absorpcyjne, nieodłącznie towarzyszące produkcji koloru pigmentowego, odpowiadają za zmniejszenie jaskrawości barwy”, mówi Vukusic.

W pewnych warunkach dwie fale mogą nałożyć się na siebie, dając w rezultacie falę o większej amplitudzie, kiedy są zgodne w fazie(lewy), ale mogą się znosić ,kiedy są niezgodne w fazie (prawy). W ubarwieniu strukturalnym światło widzialne rozszczepia się, kiedy odbijają je specyficzne nanostruktury: pewne długości fal są wzmacniane, a inne wygaszane, co daje materiały w jaskrawych lub opalizujących barwach
Zmodyfikowane na podstawie „Interference of two waves”, Haade (Wikimedia Commons)

Ubarwienie strukturalne – przeszłość, przyszłość i dzień dzisiejszy

Wyraziste strukturalne
ubarwienie kielicha Likurga:
odbite światło wydaje się
zielone, a światło
przechodzące świeci na
czerwono
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Following Hadrian; źródło
zdjęcia: Flickr

Prze tysiące lat ewolucji organizmy żywe osiągnęły mistrzostwo w manipulowaniu światłem i jego ukierunkowywaniu, wykorzystując delikatne, powtarzające się okresowo nanostruktury. Na przykład pawie wykorzystują jaskrawe strukturalne ubarwienie piór podczas zalotów. Projekty, których dostarcza natura inspirują dziś inżynierów, pragnących uzyskać kontrolę nad światłem w technologiach optycznych. Naukowcy pracują nad kolorowymi refleksyjnymi wyświetlaczami do czytników elektronicznych, które nie potrzebują własnego źródła światła. Takie ekrany zużywałaby baterię o wiele wolniej niż ich podświetlane odpowiedniki w komputerach, smartfonach i telewizorach. Ludzie wykorzystywali też ubarwienie strukturalne w sposób nieświadomy.

Przechowywany w londyńskim British Museum kielich Likurga to pochodzący z czasów rzymskich artefakt, zmieniający kolor z czerwonego na zielony, zależnie czy światło odbija się od szkła, czy też przez nie przechodzi padając z tyłu. (Freestone, 2007). Podobnie jak pawie pióra kielich Likurga zawdzięcza swoją zdumiewającą barwę ubarwieniu strukturalnemu, ale wywołanemu przez jeszcze mniejsze struktury o szerokości kilku nanometrów – nanocząsteczki złota rozproszone w szkle. Kiedy ich metalowa powierzchnia wchodzi w interakcję ze światłem, cząsteczki zatrzymują i ukierunkowują poszczególne kolory światła. Rzymscy szklarze przypadkowo odkryli, że dodanie cennego kruszcu do szkła daje imponujący efekt kolorystyczny, ale nie potrafili tego powtórzyć. Wszystkie z nielicznych podobnych eksponatów, które zachowały się do dzisiaj, powstały około IV w. p.n.e.

Obecnie potrafimy wreszcie wykorzystać wiedzę o ubarwieniu strukturalnym do produkcji wielu przedmiotów, nawet szminek. Zanurzając w preparacie tysiące zbudowanych z cienkich warstw cząsteczek, uzyskujemy opalizującą szminkę. „Regularne nanostruktury zawarte w tych cząsteczkach mocno odbijają kolory, dając różnorodne, dramatyczne i wyjątkowe efekty z różnych stron”, mówi Vukusic, który pracował także z firmą kosmetyczną L’Oréal.

Naukowcy próbują też wykorzystać fizykę ukierunkowywania światła do produkcji tworzyw sztucznych. Taka jest idea projektu badawczego Plast4Futurew2 pod kierunkiem Andersa Kristensena z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego (Technical University of Danemark), którego celem jest produkcja tworzyw sztucznych barwionych w sposób bardziej ekologiczny. „Zabarwienie strukturalne pozwala na produkcję tworzyw sztucznych przy mniejszym zużyciu materiałów i ułatwia recykling zgodnie z filozofią produkcji od kołyski do kołyski (cradle-to-cradle) “ ,mówi Kristensen, odnosząc się do koncepcji wykorzystywania procesów zachodzących w naturze jako wzorców dla przemysłu, przy jednoczesnym zapewnieniu efektywnego i bezodpadowego obiegu energii i materiałów.

Interferencja fal w basenie.
Uderzaj w powierzchnię
wody by wywołać fale i
zaczekaj aż się spotkają. W
pewnych miejscach fale
znikają (woda robi się
płaska), w innych fale
zwiększają się
Zdjęcie dzięki uprzejmości
ESO/M. Alexander; źródło
zdjęcia: Wikipedia

Te same właściwości fizyczne, które nadały kolor kielichowi Likurga, mogą w przyszłości barwić dostępne na rynku tworzywa sztuczne. Profesor Kristensen rozwinął taką metodę w ubiegłym roku. Najpierw jego zespół przygotował formę silikonową z siatką zawierającą tysiące nanootworów. Następnie odlano ją z plastiku i umieszczono na niej cienką warstwę aluminium. W rezultacie uzyskano kolorowy plastik bez pigmentów, a kolor można było modyfikować zmieniając średnicę nanootworów (Clausen, 2014). “Przed recyklingiem aluminium można usunąć z plastiku, który po przetopieniu i ponownym uformowaniu daje materiał w takim samym lub innym kolorze”, wyjaśnia Kristensen. „W systemie tradycyjnym, jednakże, pigmentów nie można usunąć, więc plastik będzie miał taki sam kolor”, co oznacza, że obecnie proces recyklingu tworzyw sztucznych wiąże się z większym marnotrawstwem i jest bardziej skomplikowany.

Projekt Plast4Future bada także jak nadać plastikowi inne cechy, takie jak zapobieganie zaparowaniu, a nawet hydrofobiczność (odpychanie wody). Wszystkie te innowacje są w polu zainteresowania firm, które wytwarzają różne przedmioty, od samochodów po zabawki: Fiat i LEGO to dwaj aktywni partnerzy w tym projekcie.

Kolor strukturalny to narzędzie do uzyskania czystszego, mniej zanieczyszczonego powietrza. Postaciom historycznym przedstawionym w artykule, trudno byłoby sobie wyobrazić taki scenariusz, ale wszyscy oni pomogli nam zrozumieć to, co dzisiaj wiemy o tym wyjątkowym źródle efektów wizualnych.

 

Więcej o European XFEL

European XFEL jest ośrodkiem naukowym w budowie w regionie Hamburgu w Niemczech, który będzie mógł badać podstawowe właściwości substancji dla różnych dyscyplin naukowych, łącznie z nanotechnologią, wykorzystując bardzo silne impulsy rentgenowskiego światła laserowego. Ponieważ laser rentgenowski może uwidocznić struktury w skali atomowej i w czasie prawie biliardowej części sekundy, będzie mógł badać szczegóły interakcji nanocząsteczek z innymi substancjami i ze światłem. To mogłoby otworzyć drogę do lepszego zrozumienia struktury nanocząsteczek, ich zachowania w odniesieniu do reaktywności i ruchu atomów oraz odpowiedzieć na pytanie dlaczego nanocząsteczki funkcjonują w określony sposób w różnych środowiskach, takich jak roztwory czy aerozole.

References

Web References

  • w1 – Dowiedz się więcej o tym jak nowa generacja czytników używa koloru strukturalnego żeby udoskonalić kolorowe wyświetlacze o wysokiej rozdzielczości.
  • w2 – Odwiedź stronę Plast4Future website.

Author(s)

Jordi Gomis-Bresco jest pracownikiem naukowym w Instytucie Fotoniki (Institute of Photonic Science) w Castelldefels, Barcelona, Hiszpania. Bada jak można manipulować światłem, uwięzić je na powierzchni rozdziału materiałów i wykorzystywać do rozwoju nowych koncepcji dla telekomunikacji i czujników. W wolnym czasie wraz z dwójką dzieci przeprowadza różnorodne doświadczenia w parku w pobliżu domu.

Jose Viosca jest neurobiologiem, jak również popularyzatorem nauki, zainteresowanym ludźmi, nauką i edukacją oraz wszystkim, co przykuje jego uwagę. Można go znaleźć na Twitterze: @jviosca

Review

Ubarwienie strukturalne i jego zastosowanie w nauce z pewnością zainteresuje uczniów. Artykuł to dobry, interesujący przegląd efektów wizualnych i wyjaśnienie sposobu powstawania koloru.

Artykuł zachęca do postawienia takich pytań jak:

  • Jaki jest mechanizm postrzegania przez oko kolorów?
  • Czym jest kolor? Wyjaśnij jak tłumaczy to fizyka.
  • Jak można stworzyć kolor?
  • Wyjaśnij dwoistą naturę światła.
  • Jak kolory są wykorzystywane w naturze i technologii?
  • Co to jest kolor strukturalny?
  • Podaj kilka przykładów wykorzystania koloru strukturalnego. Jak te przedmioty tworzą kolor?
  • Podaj kilka technicznych zastosowań koloru strukturalnego.

Gerdt Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF