Un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), ha observado cómo, en las condiciones adecuadas, las gotas de agua clara ordinaria sobre una superficie transparente pueden producir colores brillantes sin la adición de pigmentos.
Este efecto iridiscente se debe a lo que se conoce como color estructural, un fenómeno por el cual un objeto genera color simplemente por la forma en que la luz interactúa con su estructura geométrica.
Condiciones estructurales
En este caso, los investigadores pudieron observar, y finalmente modelar, cómo la luz viaja a través de gotitas de un tamaño específico cuando entra en un ángulo particular.
El modelo que desarrollaron les permite predecir el color que producirá una gota, dadas esas condiciones ópticas y estructurales específicas.
Inicialmente, los investigadores pensaron que el color que observaron podría ser resultado del efecto que genera los arco iris, pero pronto se dieron cuenta de que se trataba de algo muy diferente. Las gotitas de la superficie observada plana eran hemisféricas en lugar de esféricas, como las gotas de lluvia que provocan el arco iris.
Los investigadores encontraron que la forma hemisférica permite un efecto óptico llamado reflexión interna total, que generalmente no es posible en esferas perfectas. Adicionalmente, descubrieron que una vez que la luz se abre paso en una gota puede tomar diferentes caminos rebotando dos, tres o más veces, antes de salir en otro ángulo.
La forma en que los rayos de luz se acumulan a medida que salen, determina si una gota producirá color o no, y en caso de producirlo, qué color sería.
El color que producen las gotas también depende de las condiciones estructurales, como el tamaño y la curvatura de las gotas.
Probando el modelo
Para probar su modelo, el equipo produjo una capa de gotitas de aceite bifase del mismo tamaño en una placa de Petri transparente, la cual iluminaron con una única luz blanca fija.
Posteriormente, registraron las gotas con una cámara que daba vueltas alrededor del plato y observaron que, a medida que la cámara giraba, las gotas mostraban colores brillantes, lo que demuestra cómo el ángulo en el que se ve que la luz entra en la gota afecta el color observado.
El equipo también produjo gotitas de varios tamaños en una sola película y observó que cuando se ve en un microscopio, cada gotita produce un color diferente dependiendo de su tamaño, y el color siempre emana de las líneas de contacto entre los diversos líquidos.
Cuando fueron observadas macroscópicamente, estas gotitas juntas se perciben como un color blanco brillante.
El equipo espera que su modelo se pueda utilizar para diseñar partículas y superficies de gotitas para una variedad de aplicaciones de cambio de color, donde se podría adaptar la morfología del tamaño de las gotitas y las condiciones de observación para crear un color específico.
Por ejemplo, el modelo podría utilizarse en el futuro como una guía de diseño para producir pruebas de tornasol basadas en gotas, o polvos y tintes que cambien de color en productos de maquillaje o arte, sin la necesidad de tintes sintéticos.
Referencia: Colouration by total internal reflection and interference at microscale concave interfaces, Nature, 2019. https://doi.org/10.1038/s41586-019-0946-4