색소 없이 물방울로만 그린 그림 Colouration by total internal reflection and interference at microscale concave interfaces

색소 없이 물방울로만 그린 그림

미국 펜실베니아주립대 화학부 교수 연구팀

네이처 제공

   이번 주 국제학술지 네이처는 프리즘처럼 백색의 빛을 색색으로 흩트리는 물방울의 모습을 표지에 담았다. 백색 빛은 서로 다른 색 파장의 합이다. 파장의 길이에 따라 굴절하는 정도가 달라 짧은 파장을 가진 보라색이 가장 많이 굴절하고 붉은색 긴 파장이 가장 적게 굴절하면서 무지개처럼 빛의 분리가 일어난다. 플라스틱 접시나 물병에서도 무지개가 가끔 보이는데 빛이 물체의 구조에 따라 굴절을 달리하며 일어나는 현상이다.

로렌 자자 미국 펜실베니아주립대 화학부 교수 연구팀은 실험용 접시에 붙은 기름이 섞인 투명한 물방울을 관찰하던 도중 물방울이 푸른색으로 빛나는 것을 발견했다. 처음에 연구팀은 무지개를 만드는 현상과 같은 원리라고 이해했다. 하지만 무지개를 만드는 원리인 미 산란은 물방울이 구형일 때만 일어나는 현상이다. 접시에 붙은 물방울은 반구 형태다.

연구팀은 물방울에서 색상이 나타난 원인을 전반사에서 찾았다. 전반사는 빛이 한 물체에서 다른 물체로 향할 때 굴절률의 차이에 따라 굴절이 커져 다른 물체로 진행할 수 없을 때 빛이 모두 반사되는 현상이다. 물방울의 바닥 면에서 들어온 빛이 물방울의 구면에서 2번 이상 전반사되어 다시 바닥 면으로 나오게 된다.

ScienceDaily

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내부로 들어가 반사돼 나오는 빛은 프리즘에서 이동 경로가 다르듯, 파장에 따라서 물방울 속 다른 경로를 지나가게 된다. 두 번 전반사되는 파장의 빛이 있는가 하면 네 번 이상 전반사되는 빛도 생긴다. 밖으로 나오는 빛은 경로에 따라 파장의 마루와 골이 달라진다. 경로에 따라 파장이 강해지는 보강간섭과 약해지는 상쇄간섭이 일어나며 강해진 일부 파장만 눈에 보이게 된다. 파란색 파장이 보강간섭으로 남았다면 물방울이 파란색으로 보이는 것이다.

연구팀은 이러한 변수를 계산해서 물방울의 크기와 모양을 조절해 다양한 색상을 얻을 수 있음을 보였다. 물방울이 올라가는 표면의 소수성을 바꾸면 물방울의 반구 모양을 구의 4분의 1 모양, 4분의 3 모양처럼 다양한 모양으로 바꿀 수 있다. 이렇게 만든 물방울을 코끼리 모양으로 배치해 염료가 없이도 단지 빛과 물방울만으로 다양한 색깔로 색칠한 코끼리를 그려내는 데 성공했다. 물방울로 그려낸 최초의 그림이다.

조승한 기자 shinjsh@donga.com 동아사이언스

Colouration by total internal reflection and interference at microscale concave interfaces Amy E. Goodling, Sara Nagelberg, Bryan Kaehr, Caleb H. Meredith, Seong Ik Cheon, Ashley P. Saunders, Mathias Kolle & Lauren D. Zarzar  Naturevolume 566, pages523–527 (2019) | Download Citation   Nature edited by kcontents Abstract Many physical phenomena create colour: spectrally selective light absorption by pigments and dyes1,2, material-specific optical dispersion3 and light interference4,5,6,7,8,9,10,11 in micrometre-scale and nanometre-scale periodic structures12,13,14,15,16,17. In addition, scattering, diffraction and interference mechanisms are inherent to spherical droplets18, which contribute to atmospheric phenomena such as glories, coronas and rainbows19. Here we describe a previously unrecognized mechanism for creating iridescent structural colour with large angular spectral separation. Light travelling along different trajectories of total internal reflection at a concave optical interface can interfere to generate brilliant patterns of colour. The effect is generated at interfaces with dimensions that are orders of magnitude larger than the wavelength of visible light and is readily observed in systems as simple as water drops condensed on a transparent substrate. We also exploit this phenomenon in complex systems, including multiphase droplets, three-dimensional patterned polymer surfaces and solid microparticles, to create patterns of iridescent colour that are consistent with theoretical predictions. Such controllable structural colouration is straightforward to generate at microscale interfaces, so we expect that the design principles and predictive theory outlined here will be of interest both for fundamental exploration in optics and for application in functional colloidal inks and paints, displays and sensors. https://www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

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