科學家創造人工彩虹在科學和美學上具有應用前景

　　化學家偶然發現了一種將反射光分離成彩虹顏色的新方法。這一令人驚訝的簡單技術是先前已有技術的混合體，它可能在科學和美學上具有應用前景。

　　“這真的很酷。”并未參與這項研究的加拿大科洛納英屬哥倫比亞大學光學工程師Kenneth Chau說，“我很驚訝自己沒有在實驗室里看到它。”

　　在彩虹色的形成過程中，物體以不同的角度反射不同的顏色，將白光分離成組成它的顏色。一種方法是通過折射，即光從一種半透明介質到另一種半透明介質時產生的彎曲。例如，光線在進入球形雨滴時發生彎曲，然后又在離開雨滴時再次彎曲，彩虹也就隨即產生。這一過程以略微不同的角度重新定向不同的顏色，將它們分散開來，最終形成彩虹。

　　當一層半透明的薄膜浮在反射表面時（就像水坑里的油一樣）也會產生彩虹色。有些光波從薄膜的頂部反射，有些則從底部反射。根據薄膜的厚度、被觀察的角度以及光的波長，波會重新組合并相互干擾，從而增強或抵消。這種薄膜干涉使得一個油水坑呈現出五顏六色的條紋。

　　此外，當光反射到更復雜的周期性結構上時，如一張光盤的凹槽，這種衍射就會產生彩虹色。同樣的，光波從凹槽中反射回來，根據光的波長和被觀察的角度，可以相互干擾以增強或消除。這種衍射解釋了一些蝴蝶翅膀和人造光子晶體的絢麗色彩。

　　如今，美國賓夕法尼亞州立大學材料化學家Lauren Zarzar和他的同事報告說，他們用一種新方法產生了彩虹色。研究人員在2017年初發現了這種現象，當時他們將含有兩種油的微米大小的球形液滴加熱，其中較輕的油形成了一種扁豆狀的上層，研究人員希望將其用作透鏡。但令人驚訝的是，當從上面照射時，“扁豆”的邊緣會發出一種顏色，而這種顏色取決于它們的大小和被觀察的角度。科學家在2月27日出版的《自然》雜志上報告了這一研究成果。

　　Zarzar說，她的研究小組肯定不是第一個看到這種效果的。“人們走過來對我說，‘哦，我完全明白你在說什么！我也見過這種現象’。”然而，我們進行的文獻檢索并沒有發現這方面的研究。Zarzar表示，研究人員認為這一定是折射或衍射效應，但這些模式與數據不符。

　　由團隊成員、劍橋市麻省理工學院機械工程師Sara Nagelberg和Mathias Kolle進行的計算機模擬得出了結論。他們的分析顯示，彩虹色是通過一種新的機制產生的，這種機制融合了先前已知的某些過程。

　　最終，這種效應可以在一個簡單得多的系統—— 一個皮氏培養皿的蓋子下方凝結并懸掛的水滴中得到證明和最容易的解釋。進入水滴一側邊緣的光波在靠近另一側邊緣之前，會在水滴的圓頂上反射兩次甚至更多次，就像彩虹中的光線在雨滴中反射那樣。然而，光線以稍微不同的距離進入水滴中心便可以被反射不同的次數。波的不同次數的反彈可以相互干擾和加強，就像在衍射或薄膜干涉中發生的那樣。因此，不同的顏色出現在不同的角度，這可以通過改變液滴的大小來控制。

　　Zarzar說：“我們真的絞盡腦汁想了好長一段時間。沒有其他解釋能與這種效果相匹配。”Chau說：“他們做了大量細致的實驗和模擬，以便觀察這種效應是如何產生的。”

　　工程師已經使用薄膜和折射粒子在視頻顯示器、油漆和裝飾墻面上創造出彩虹色。由于其簡單性和可調節性，這種新效果可能為創造彩色的世界開辟新道路。Chau說，它有一個明顯的局限性——入射的白光必須來自一個特定的方向，所以這種效果在環境光下不起作用。盡管如此，“人類總是在尋找新的和不同的方法來制造人工色彩。”他說，“我預計，這肯定會帶來大量的探索。”