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本文来自窗敲雨的微信个人公众号“酷炫科学”,首发于果壳的微信公众号,未经许可不得进行商业转载

当潮湿温暖的空气遇到凉凉的眼镜片、镜子或者其他类似的表面,冷凝的小水滴总是会在上面蒙上一层“薄雾”。这层雾看起来是什么颜色?

你可能会说,当然是白色啦!毕竟它都是由无色透明的小水珠组成的嘛。

但是,事情没有这么简单。在特定的情况下,原本无色的小水珠其实能形成一层五彩斑斓的雾!

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(这个真的是水。原视频来源:参考文献1)

而且这还不是最厉害的。真正最厉害的是——这层五彩斑斓的水雾发在了《自然》上,而且还登上了2月28日的期刊封面:

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(封面图片:Sara Nagelberg)

彩色的水雾到底是怎么回事?下面我就来详细讲讲。

如何拥有同款彩色水雾?

想要观察到和Nature封面研究同款的彩色水雾,首先需要准备一个聚苯乙烯材质的透明塑料培养皿。只要有了这样道具,剩下的事情其实都很简单:只要在培养皿里倒上一些热水,盖上盖子,并用一束白光把它照亮即可。下面是我自己测试的结果。实验中用的是准直LED光源,我这里没有专门的光源,只是靠房间顶上的日光灯。虽然效果没有那么好,但色彩确实看得很清楚了:

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(毫无PS的作者手抖自摄……动图经过加速,实际时间十秒左右)

从实际观察来看,从盖上盖子起水雾色彩的分布一直都在变化,这些色彩肉眼明显可见的时间并不会维持很久。而如果在显微镜下观察这些彩色水雾,会发现这些微米级的小水滴边缘都有一个明亮的“彩色光圈”。不同大小的液滴“光圈”颜色各不相同。

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(在显微镜下看,每个小水滴的边缘都顶着一个彩色的光圈。我知道这个图很像画的,但确实不是_(:з」∠)_图片来自原论文,大图的下方的比例尺是200μm,小图的比例尺是1cm。)

彩色从哪儿来?

首先需要说明:这不是一道迷你版的彩虹,也不是一个个超小号肥皂泡。水雾上的色彩形成原因和颜色的分布规律都与这两种常见现象不同。

研究者发现,彩色水雾其实是两种光学现象共同作用的结果:一个是全反射,一个是干涉。

当光线从折射率大介质入射,并且角度超过一个临界值时就会发生全反射。

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(动图来源:QuantumBoffin)

而当光线从上方入射时,它就很容易沿着培养皿下壁的液滴边缘发生全反射(如下图)。光线可能会从不同的路径发生全反射,这些路径的长度不同,因此光线最终出射时就产生了相位差。具有相位差的光线彼此发生干涉,就能让白光变成不同的色彩。

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(全反射与干涉的共同作用让微米级小液滴产生色彩。截图来源:MIT)

这个效应取决于液滴的折射率,同时也非常依赖液滴的大小和形状。一定要选择塑料而不是玻璃的培养皿就是为了让挂壁的水滴形成合适的形状。

为啥要研究这个?

这种小液滴的虹彩现象最初是艾米·古德林(Amy Goodling)和劳伦·扎扎尔(Lauren Zarzar)两个人发现的。当时他们在研究一些培养皿上的透明小液滴(不过并不是水),研究中突然发现液滴看起来格外地蓝,这激起了他们的研究兴趣。

除了满足好奇心,这项研究也为人们提供了一种制造结构色的新思路。虽然培养皿盖子上的小液滴没法保持稳定,但把液滴换成聚合物小颗粒也可以实现同样的效果。而且研究者们也为这种现象建立了模型,可以预测不同条件下的颜色规律。

然而,这种虹彩现象的效果非常取决于光源和观察角度,这一点会限制它的应用前景。

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(转一转角度,液滴的虹彩看起来就完全不一样了。这里展示的并不是水滴,不过原理类似。原视频来自参考文献1)

不过,能在家里拥有一个Nature封面同款我还是非常开心的……

参考资料

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

http://news.mit.edu/2019/water-droplets-structural-color-0227

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