Strukturālā krāsa — definīcija, mehānisms un dabiskie piemēri
Uzzini, kas ir strukturālā krāsa, tās fizikālais mehānisms un iedvesmojoši dabas piemēri — no pāva spalvām līdz tauriņu spārniem.
Strukturālais krāsojums ir krāsojums, ko rada īpaša virsmas struktūra. Dažreiz strukturālais krāsojums ir kombinēts ar pigmentiem: piemēram, pāvu astes spalvas ir pigmentētas brūnas, bet to struktūra liek tām izskatīties zilām, tirkīza un zaļām, un bieži vien tās izskatās kā mirdzošas.
Angļu zinātnieki Roberts Hūks un Īzaks Ņūtons pirmie novēroja strukturālo krāsojumu. Tomass Jangs gadsimtu vēlāk aprakstīja tās principu un nosauca to par viļņu interferenci. Jangs aprakstīja varavīksni kā interferences rezultātu starp atspīdumiem no vairākām plānas plēves virsmām apvienojumā ar refrakciju, gaismai iekļūstot šajās plēvēs un izkļūstot no tām. Ģeometrija nosaka, ka pie noteiktiem leņķiem no abām virsmām atstarotā gaisma summējas (interferē konstruktīvi), bet pie citiem leņķiem gaisma atņemas. Rezultātā dažādos leņķos parādās dažādas krāsas.
Kas izraisa strukturālo krāsu — galvenie mehānismi
Strukturālo krāsu rada gaismas mijiedarbība ar materiāla mikroskopisku vai nanomēroga struktūru. Galvenie fiziskie mehānismi ir:
- Viļņu interferencē balstītas plānas plēves un daudzslāņu sistēmas — gaismas daļas, kas atstarojas no dažādām slāņu virsmām, var savstarpēji pastiprināties vai atcelties, radot noteiktas viļņa garuma (krāsas) pastiprinājumu.
- Difrakcija uz regulāri strukturētām virsmām (piem., rīsu grīdas vai CD/diska līdzīgas brīvas struktūras) — atkarībā no režģa perioda tiek sadalīta gaisma dažādos leņķos un krāsās.
- Daļiņu izkliedēšana (koherentā vai nekoherentā) — mazākas daļiņas izkliedē gaismu ar viļņu garuma atkarību (piem., Rayleigh vai Tyndalla izkliedēšana), kas var radīt zilas vai citas krāsas no masu strukturām.
- Fotonskas kristālu un porainu spongiju struktūras — trīsdimensiju periodiskas nanostruktūras var izveidot fotonisku joslu spraugas, kas aizliedz noteiktu viļņa garumu iekļūšanu un rada spēcīgas krāsas (piemērs: opāli).
Dabiskie piemēri
- Pāva spalvas — šo spalvu pigmentētā daļa ir brūna, bet sarežģītā nanostruktūra rada zilus, zaļus un tirkīza toņus un mirdzumu (sk. pirmajā rindkopā minēto piemēru).
- Morpho tauriņi — spārnu mikrolamelu daudzslāņu struktūra rada intensīvu, spožu zilu, kas ir ļoti leņķatkarīgs (iridescents).
- Jewel beetles un citi vaboles — cietie elytra ir pārklāti ar mikro- vai nanorežģiem, kas atstaro krāsainu spīdumu.
- Putnu spalvas (piem., zili putni) — daudzos gadījumos zils tonis nav pigmenta rezultāts, bet keratīna un gaisa spongijas struktūru izkliede vai interferenču efekti.
- Opāli un minerāli — opāla "krāsu spēle" rodas no regulāras silīcija dioksīda sfēru sakārtotības (fotonic crystal efektu analogs).
- Ziepes, eļļas plēves un ziepju burbuļi — plāno plēvju interferences piemēri ikdienā, kas rada raibu, mainīgu krāsu.
- CD/DVD diski — tehnisks piemērs difrakcijas režģim: lāzeru atstarošanās uz masu rakstiem rada varavīksnes krāsas.
Irīdence un neirīdence
Irīdence (mirdzoša leņķatkarība) raksturo daudzus strukturālos krāsojumus, kuros krāsa mainās atkarībā no novērošanas leņķa. Tomēr pastāv arī strukturāls krāsojums, kas ir mazāk atkarīgs no leņķa: to izraisa statiskas vai kvazistatiskas nepāra nanostruktūras (piemēram, dažu putnu zilums), kas izkliedē noteiktus viļņu garumus visos virzienos, radot vienmērīgāku, nemainīgu toni.
Tehnoloģiskās un praktiskās pielietošanas jomas
- Krāsas bez pigmentiem: ilgtspējīgas krāsas tekstilmateriāliem un krāsošanai, kas neizbalē tā kā pigmenti.
- Drošības elementu un viltojumu novēršana: drošības diegi, banknošu elementi ar strukturālu krāsu īpašībām.
- Kosmētika un dizains: dekoratīvi pārklājumi, kas spīd bez ķimikālijām pigmentiem.
- Sensori: strukturālās krāsas var mainīties atbilstoši vides parametrām (mitrumam, temperatūrai), tādējādi kalpojot par indikatoriem.
- Optiskās ierīces un fotonika: fotoniskie kristāli, kas kontrolē gaismas pārnesi un filtrēšanu.
Kā pēta un ražo strukturālo krāsu
Nanostruktūru raksturošanai izmanto skenējošos un transmisijas elektronu mikroskopus, atomspēka mikroskopiju un spektrometriju. Modelēšanai plaši lieto viļņu optikas pieejas (interferences formula, pārvades-matrix metodes) un skaitliskās metodes kā FDTD (finite-difference time-domain). Mākslīgi strukturālas virsmas ražo, izmantojot nanolitogrāfiju, pašorganizējošas kolloīdās sakārtības, deponēšanu un citas nanotehnoloģijas.
Noslēgums
Strukturālais krāsojums ir svarīgs gan dabas estētikai, gan modernajām tehnoloģijām. Sapratne par mehānismiem ļauj inženieriem radīt ilgstošas, nemainīgas un drošas krāsas, kā arī iedvesmo jaunas materiālu un optisko ierīču koncepcijas, balstoties uz dabā redzamajiem risinājumiem.
Pāvu tēviņa astes spalvu mirdzošās mirdzošās krāsas ir radītas, pateicoties strukturālai krāsošanai, ko pirmie pamanīja Īzaks Ņūtons un Roberts Hūks.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir strukturālais krāsojums un kā tas darbojas?
A: Struktūrkrāsojums ir krāsojums, ko nosaka objekta virsmas struktūra. Tā darbojas, interferējot un atstarojot gaismas viļņus no virsmas.
J: Ko iegūst, kombinējot pigmentus un strukturālo krāsojumu?
A.: Pigmentu un strukturālās krāsošanas kombinācija rada dažādas krāsas un bieži vien rada mirdzumu.
J: Kas bija pirmie zinātnieki, kas novēroja strukturālo krāsojumu?
A: Angļu zinātnieki Roberts Hūks un Īzaks Ņūtons pirmie novēroja strukturālo krāsojumu.
J: Kas aprakstīja strukturālās krāsošanās principu un kā viņš to nosauca?
A: Tomass Jangs aprakstīja strukturālās krāsainības principu un nosauca to par viļņu interferenci.
Jautājums: Kā objekta ģeometrijas dēļ dažādos leņķos parādās dažādas krāsas?
A: Objekta ģeometrija izraisa gaismas viļņu konstruktīvu interferēšanu vai atņemšanu noteiktos leņķos, kā rezultātā dažādos leņķos parādās dažādas krāsas.
J: Kas ir iridescence un kā to panāk ar strukturālu krāsojumu?
A: Īridescence ir parādība, kad objekts šķietami maina krāsu atkarībā no novērošanas leņķa. To panāk ar strukturālo krāsojumu, interferējot un atstarojot gaismas viļņus no objekta virsmas.
J: Kāds ir piemērs objektam, kam piemīt gan pigmentācija, gan strukturālā krāsainība?
A: Piemērs objektam, kam piemīt gan pigmentācija, gan strukturālā krāsojuma pazīmes, ir pāvu astes spalvas, kas ir pigmentētas brūnas, bet virsmas struktūras dēļ izskatās zilas, tirkīza un zaļas.
Meklēt