Wetenschappers hebben het voor elkaar gespeeld om met weinig meer dan licht en water alle kleuren van de regenboog te maken.

Pauwenveren, vlindervleugels en zelfs huid van kameleons hebben iets gemeen; ze danken hun bijzondere kleuren grotendeels aan de manier waarop ze zijn opgebouwd. Dit fenomeen, dat men structurele kleur noemt – kleur afhankelijk van structuur – komt veelvuldig in de natuur voor, maar wellicht heb je ook thuis weleens gezien.

Volgens onderzoekers aan de Penn State-universiteit en het MIT zouden namelijk ook simpele waterdruppels op een transparant oppervlak – zoals een plastic of glazen deksel, of zelfs een laagje vershoudfolie – een scala aan prachtige kleuren kunnen opleveren. Op basis van hun ontdekking, ontwikkelden de onderzoekers een model waarmee ze de kleur die zo’n laagje waterdruppels produceert, kunnen voorspellen. Wellicht kunnen we die techniek in de toekomst gebruiken als een alternatief voor kleurstoffen, schreef het team onlangs in vakblad Nature.

Lees ook: Picture Perfect: veelkleurige vleugel

Afhankelijk van hun vorm en grootte, lijken deze hangende, halve druppels, een scala aan verschillende kleuren te hebben. © Goodling et al., 2019/Nature/MIT

Toevallige ontdekking

De ontdekking van het fenomeen was een toevallige; tijdens een heel andere studie viel het Penn State-onderzoekers op dat de waterdruppels aan de onderkant van de dekseltjes van petrischaaltjes een blauwe kleur leken te hebben. Ze zochten hulp bij MIT-technici, die in eerste instantie vermoedden dat de kleur iets te maken moest hebben met de breking van het licht – zoals bij een regenboog.

Als lichtstralen een waterdruppel binnenvallen, ‘stuiteren’ ze als het ware rond door het interieur, voor ze de bol ergens anders weer verlaten. Waar, hoe en hoeveel van de die lichtbundel de druppel verlaat, is verantwoordelijk voor uiteindelijke golflengte van het licht en dus de kleur die we zien. Maar in tegenstelling tot bolvormige waterdruppels die een regenboog veroorzaken, waren de waterdruppels hangend aan het glazen dekseltje natuurlijk halve bollen. Dat is voor het gedrag van licht een groot verschil, stellen de onderzoekers.

In tegenstelling tot bij een bol, kan licht in een halve bol volledig weerkaatst worden. Dit proces noemt met totale interne reflectie (TIR). © MIT

Halve bollen

Bij halve bollen kunnen de invallende lichtstralen namelijk volledig worden weerkaatst; dat kan niet bij bolvormige druppels. Honderd procent weerkaatsing betekent dat er bij deze zogenaamde totale interne reflectie (TIR), geen breking van het licht plaatsvindt.

Door dit gedrag te bestuderen, konden de onderzoekers vaststellen dat de kleur die het waterlaagje produceert, afhankelijk is van verschillende factoren. Onder andere de manier waarop de lichtstralen samen de halve bol verlaten, de grootte en de kromming van de druppel, en het invallende licht, leken een belangrijke rol te spelen. Al deze factoren (en meer) namen de onderzoekers mee in hun kleur-voorspellende model.

Kleurstof alternatief?

Toen het team de proef op de som nam, bleek het volgende. Een uniforme laag druppeltjes op een transparant oppervlak veroorzaakte verschillende kleuren. Grotere druppels maakten langere golflengtes van het licht mogelijk en zorgden hierdoor voor een rodere kleur. Kleinere druppels, leverden, door korte golflengtes, blauwere kleuren op.

De volgende vraag waar de onderzoekers zich over bogen, was of ze op dezelfde manier, met druppels van verschillende groottes ook gecontroleerd meer dan een kleur konden maken. Én of ook een ander medium, naast water, hetzelfde effect zou kunnen opleveren. Tot grote vreugde van de onderzoekers, bleek het antwoord op beide vragen; ‘ja’.

Met de resultaten is de vondst volgens de onderzoekers meer dan het blootleggen van een bijzonder (mooi) fenomeen. Zo zou het mechanisme in de toekomst wellicht ook gebruikt kunnen worden als een soort kleurstof. Dat zou mogelijk een verbetering zijn ten opzichte van bijvoorbeeld de synthetische verfstoffen in make-up. Die zouden namelijk niet altijd even goed voor je zijn, meent het team.

Bronnen: Nature (paper), MIT, Science, Science Alert

Beeld: Felice Frankel/MIT, Science/Youtube, MIT

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!