Viele glauben, dass die Hauptwerkzeuge des Künstlers Pinsel, Staffelei und Palette sind. Dies sind jedoch nur die Mittel, um die wahre Werkzeugfarbe zu verwenden. Unsere Welt ist voller Farben aller Art, von feurigem Rot bis zu frostigem Blau. Die Farbe von Objekten und die Farbe lebender Organismen ist das Ergebnis einer Reihe physikalischer und / oder chemischer Prozesse. Angesichts der Vielfalt der Farben ist es manchmal schwierig, den Unterschied in den Mechanismen ihrer Herkunft zu verstehen. Wissenschaftler der Universität Cambridge wollten herausfinden, warum Strukturfarben, die von der nanoskaligen Architektur von Oberflächen und nicht von chemischen Pigmenten abhängen, keine Rottöne sind, sondern nur Blau oder seltener Grün. Was ist das Geheimnis dieser Farbbeschränkung und wie genau haben Sie es geschafft, die Wahrheit festzustellen? Der Bericht von Wissenschaftlern wird uns helfen, diese Fragen zu beleuchten. Gehen.
Forschungsgrundlage
Beispiele für Strukturblumen in der Natur: A - Trifoliate Hibiscus (Hibiscus trionum); B - Tamamusi-Käfer (Chrysochroa fulgidissima); C - Schmetterling der Art Morpho Rhetenor; D - gemeine Mücke (Culex pipiens); E - Seemaus (Aphrodita aculeata); F - Käfer der Art Pachyrhynchus argus; G - Schmetterling der Art Parides sesostris Die
Strukturfarbe ist das Ergebnis einer Lichtinterferenz, die von nicht absorbierenden Oberflächenelementen in Nanogröße gestreut wird. Es ist ein physikalischerer Prozess als ein chemischer, wie dies bei der Pigmentierung der Fall ist, bei der die Farbe von der selektiven Absorption entlang der Wellenlänge abhängt.
Strukturfarben haben gegenüber Pigmentfarben viele Vorteile:
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Bild №1
Unter Berücksichtigung der positiven Eigenschaften von Strukturfarben wurden viele Techniken für ihre Wiederherstellung entwickelt, oder vielmehr Techniken zur Erzeugung hierarchischer Strukturen oder Strukturen mit kurzer Reichweite mit Farben unabhängig vom Winkel. Das Ergebnis dieser Entwicklungen ist photonisches Glas (PG für photonisches Glas ), das das biologische Äquivalent des Gefieders vieler Vögel aufweist (siehe Abbildung oben).
Die Nuance ist, dass Strukturfarben in der Natur nur Blautöne sind. Rot- und Grüntöne werden normalerweise mit weitreichenden Strukturen oder Pigmentierungen erzielt. Natürlich gibt es Techniken, um einen künstlichen strukturellen Rotton zu erzeugen. Wie die Autoren dieser Arbeit behaupten, sind die optischen Eigenschaften eines Materials dieser Farbe jedoch äußerst schlecht.
Es stellt sich die Frage: Ist es grundsätzlich möglich, eine vollwertige strukturelle rote Farbe zu erzeugen? Um diese Frage zu beantworten, entschieden sich die Wissenschaftler für einen numerischen Ansatz, der einen direkten Zugang zum Reflexionsspektrum einer beliebigen Struktur ermöglicht und die Untersuchung von Zwischenstreumoden ermöglicht, dh zwischen Einzelstreuung und Diffusionsverhalten.
Forschungsergebnisse
Zunächst wurden mithilfe eines numerischen Algorithmus Varianten von photonischem Glas (direkt und invers) mit unterschiedlichen Streueigenschaften und struktureller Korrelation ( Strukturfaktor * ) erstellt.
Der Strukturfaktor * ist eine mathematische Beschreibung, wie ein Material einfallende Strahlung streut.Als nächstes wurden die optischen Eigenschaften der erzeugten Strukturen unter Verwendung der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich berechnet. Das erstellte Modell wurde bewusst auf den zweidimensionalen Raum beschränkt, da solche Strukturen am häufigsten in der Natur vorkommen (Bild oben). Wenn Sie sich auf die zweidimensionale Struktur konzentrieren, können Sie auch den Bereich der untersuchten Parameter erweitern und gleichzeitig die Rechenkosten begrenzen. Dennoch sind Wissenschaftler zuversichtlich, dass die erzielten Ergebnisse zur Beschreibung dreidimensionaler Strukturen verwendet werden können.
Wenn keine Absorption vorliegt, tritt eine Streuung im photonischen Glas als Folge der Wechselwirkung zwischen den Eigenschaften einzelner Partikel (Größe, Form und Brechungsindex) oder aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Eigenschaften einer Gruppe von Partikeln (Füllfraktion und strukturelle Korrelationen) auf.
Bild Nr. 2
Bei direkten PGs wird die Reflexion von Mie * -Resonanzen dominiert, die durch die Eigenschaften des Streuers ( 2A ) bestimmt werden. Somit kann die reflektierte Farbe durch Ändern der Größe des Diffusors sichtbar gemacht werden.
Mie-Resonanz * - eine Zunahme der Intensität der von einem kugelförmigen Teilchen gestreuten Strahlung für bestimmte Wellenlängen, vergleichbar mit der Größe eines Teilchens (benannt nach Gustav Mie, 1868-1957).Mit zunehmender Partikelgröße verschiebt sich jedoch der Mie-Resonanzpeak zur roten Seite, und im blauen Teil des Spektrums erscheint ein zweiter Peak, der einem Resonanzmodus höherer Ordnung entspricht. Bei der Lichtstreuung in inversen PGs überwiegen jedoch strukturelle Korrelationen ( 2B ). Der Reflexionspeak, dessen Position gut mit den Vorhersagen des Braggschen Gesetzes * übereinstimmt , ist stärker ausgeprägt als in direkten Strukturen.
Bragg-Beugung * ist das Phänomen der starken Streuung von Wellen auf einer periodischen Anordnung von Streuern bei bestimmten Einfallswinkeln und Wellenlängen.Das Auftreten eines einzelnen Peaks im sichtbaren Spektrum zeigt, dass die Verwendung inverser PGs eine wirksame Strategie ist, um den Formfaktor in der optischen Gesamtantwort des Systems zugunsten struktureller Beiträge zu minimieren.
Braggsche Gesetzformel: nλ = 2d · sin θ, wobei d die Gitterperiode ist; θ ist der Einfallswinkel der Welle; λ ist die Strahlungswellenlänge; n ist die Anzahl der Wellen.
Abhängigkeit der isotropen Strukturfarbe vom Brechungsindex für direktes (oben) bzw. inverses (unten) PG.
Das Ändern des Brechungsindex beeinflusst die Beziehung zwischen Form- und Strukturbeiträgen. Systeme mit einem hohen Brechungsindex werden von Formfaktorresonanzen dominiert, die verhindern, dass sie sowohl für gerade als auch für inverse PGs eine gute Farbreinheit im roten Bereich des Spektrums erreichen. Bei direkten Systemen führen Formfaktorresonanzen selbst bei geringem Brechungsindexkontrast zu verstärkten Reflexionen auf der kurzwelligen Seite des Strukturpeaks. Im Gegensatz dazu ist im Fall von inversen PGs zu sehen, dass der Strukturfaktor selbst im roten Bereich der Wellenlängen einen gut getrennten Peak im sichtbaren Spektrum bildet.
Daraus folgt, dass inverse PGs mit niedrigem Brechungsindex gerade PGs in Bezug auf Farbreinheit und Sättigung übertreffen können.
Bild Nr. 3
Eine Abnahme des Kontrasts des Brechungsindex zwischen der Streumatrix (n m ) und den Streuzentren (n p ) kann weiter zum strukturellen Beitrag beitragen. Fig. 3A zeigt, dass eine Zunahme von np zu einer breitbandigen Abnahme des Reflexionskoeffizienten und einer Rotverschiebung des Strukturpeaks führt. Der Strukturpeak nimmt in der Breite ab und hat im Vergleich zu seinem Hintergrund eine höhere Intensität, was zu einer besseren Farbreinheit führt.
Eine Abnahme des Kontrasts des Brechungsindex verringert die Rolle der Mehrfachstreuung, die auf die eine oder andere Weise in ungeordneten Systemen vorhanden ist. Dies begrenzt isotrope Strukturfarben auf den Lichtausbreitungsmodus zwischen diffuser Streuung * und ballistischer Übertragung * .
Diffuse Streuung * - Streuung aufgrund einer Abweichung der Materialstruktur von der Struktur eines vollkommen regelmäßigen Gitters.
Ballistischer Transfer * ist ein ungehinderter Fluss von Ladungsträgern (normalerweise Elektronen) oder energietragenden Partikeln über relativ große Entfernungen in einem Material.Mehrfachstreuung wird mit zunehmender Probendicke vorherrschend, was zu einer breitbandigen ungesättigten Reaktion führt.
Die entsprechenden Beobachtungen können auch auf Streuer mit komplexen Geometrien angewendet werden. Wie die Wissenschaftler klarstellen, wurde in ihren früheren Arbeiten die Idee vorgestellt, Core-Shell * -Partikel zu verwenden, um die Beiträge des Formfaktors und des Strukturfaktors zu trennen und einen separaten Peak im langwelligen Bereich des Spektrums zu erzielen.
-* — , , .Fig. 3B zeigt, dass eine Verringerung der Größe des Streuzentrums (Kerns) unter Beibehaltung der strukturellen Korrelationslänge die Intensität und Breite des langwelligen (strukturellen) Peaks erhöht. Gleichzeitig wird der kurzwellige Beitrag der Mie-Resonanzen in Richtung Ultraviolett verschoben.
Fig. 3A zeigt, dass ein verringerter Brechungsindexkontrast eine Mehrfachstreuung unterdrücken kann, während eine Trennung der Formfaktor- und Strukturfaktorbeiträge durch Kern-Schale-Partikel ( 3B ) möglich ist.
Die Kombination beider Methoden ist in 3C gezeigt . Dies ermöglicht höhere Werte für Reinheit und Farbsättigung aufgrund gut getrennter Peaks im langwelligen Teil des sichtbaren Spektrums.
In der nächsten Phase der Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Beurteilung der Sättigung und Reinheit der Farbe. Um diese Parameter zu quantifizieren, wurden die Reflexionsspektren von direkten, inversen PG- und Schalenkernen in Farbtöne umgewandelt. Die Farbreinheit kann als normalisierter Abstand vom Weißpunkt im Chromatizitätsdiagramm zum Rotpunkt (bei roten Farben) definiert werden. Die Sättigung quantifiziert, wie stark die Intensität des reflektierten Lichts bei verschiedenen Wellenlängen über das Spektrum verteilt ist.
Bild 4
In 4A sind die verschiedenen Systeme für die Rottöne im CIE XYZ-Farbraumdiagramm dargestellt. Bei 4B werden die entsprechenden Werte für Reinheit und Sättigung berechnet.
Es ist anzumerken, dass alle inversen PGs höhere Farbreinheits- und Sättigungswerte aufweisen als die Rottöne von geraden PGs. Der Einschluss von Kern-Schale-Partikeln in das Partikelsystem führt jedoch nicht zu einer signifikanten Verbesserung gegenüber Standard-Invers-PG. Wenn Sie beide Ansätze kombinieren, können Sie ein höheres Maß an Reinheit und Sättigung erzielen. Trotzdem sind sie viel niedriger als die von echtem Rot (d. H. Vom KZS-Modell - Rot, Grün, Blau).
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler zeigen, dass photonische Gläser interne Einschränkungen bei der Erzielung gesättigter Rottöne aufweisen. Dies ist auf die Wechselwirkung zwischen der mit dem Strukturfaktor verbundenen Resonanz, der mit dem Formfaktor verbundenen Streuung und dem Hintergrund mit Mehrfachstreuung zurückzuführen. Eine solche Grundierung macht es einfach, Strukturfarben im UV-Blau-Bereich zu erzielen, jedoch nicht bei längeren Wellenlängen.
Es wurde auch nachgewiesen, dass eine hohe Reinheit und Farbsättigung für Rottöne in isotropen Nahordnungsstrukturen selbst bei komplexen Diffusormorphologien nicht erreicht werden kann.
Laut Wissenschaftlern könnten solche Beobachtungen darauf hindeuten, dass die Natur (im übertragenen Sinne) gezwungen war, alternative Wege zur Bildung von Rottönen zu schaffen (z. B. Mehrschicht- oder Diamantstrukturen).
Die Kombination mehrerer Ansätze zur Erzeugung eines strukturellen Rottons kann die Klarheit und Sättigung verbessern, reicht jedoch immer noch nicht aus, um echtes Rot zu erzielen.
Es wurde auch gefunden, dass aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen Einzel- und Mehrfachstreuung Gelb und Orange neben Rot auch hinsichtlich der Strukturfarben schwer zu erhalten sind.
Diese Forschung ermöglicht ein besseres Verständnis der Strukturfarben sowie die Entwicklung neuer Methoden zur Herstellung von Materialien, die als Grundlage für jene Farbtöne dienen können, die in natürlichen Strukturfarben nicht zu finden sind. Laut den Autoren der Studie können neue Arten von Nanostrukturen (z. B. Netzwerk- oder mehrschichtige hierarchische Strukturen) dabei helfen.
Wie dem auch sei, die Arbeit an Strukturfarben wird in Zukunft fortgesetzt. Moderne Methoden zur Untersuchung nanoskaliger Strukturen und Mittel zu ihrer Rekonstruktion ermöglichen eine detailliertere Beschreibung der im Material ablaufenden Prozesse, was natürlich dazu beiträgt, die Kontrolle über diese Prozesse zu erlangen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)
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