Muitos acreditam que as principais ferramentas do artista são o pincel, o cavalete e a paleta. No entanto, esses são apenas os meios para usar a verdadeira ferramenta - a cor. Nosso mundo está repleto de cores de todos os tipos, do vermelho ardente ao azul gelado. A cor dos objetos e a cor dos organismos vivos são o resultado de uma série de processos físicos e / ou químicos. Dada a variedade de cores, às vezes é difícil entender a diferença nos mecanismos de sua origem. Cientistas da Universidade de Cambridge decidiram descobrir por que as cores estruturais, que dependem da arquitetura em nanoescala das superfícies, e não dos pigmentos químicos, não são tons vermelhos, mas apenas azuis ou, menos freqüentemente, verdes. Qual é o segredo dessa limitação de cor e como exatamente você conseguiu estabelecer a verdade? O relatório dos cientistas nos ajudará a esclarecer essas questões. Ir.
Base de pesquisa
Exemplos de flores estruturais na natureza: A - hibiscus trifoliata (Hibiscus trionum); B - besouro tamamusi (Chrysochroa fulgidissima); C - borboleta da espécie Morpho rhetenor; D - mosquito comum (Culex pipiens); E - rato do mar (Aphrodita aculeata); F - besouro da espécie Pachyrhynchus argus; G - borboleta da espécie Parides sesostris
A cor estrutural é o resultado da interferência da luz, que é espalhada por elementos de superfície não absorventes de tamanho nano. É um processo mais físico do que químico, como é o caso da pigmentação, em que a cor depende da absorção seletiva ao longo do comprimento de onda.
As cores estruturais têm muitas vantagens sobre as cores de pigmento:
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Imagem №1
Tendo em conta as propriedades positivas das cores estruturais, muitas técnicas têm sido desenvolvidas para a sua recriação, ou seja, técnicas de criação de estruturas hierárquicas ou de ordenação de curto alcance com cores independentes do ângulo. O resultado desses desenvolvimentos é o vidro fotônico (PG para vidro fotônico ), que tem o equivalente biológico da plumagem de muitos pássaros (foto acima).
A nuance é que, na natureza, as cores estruturais são apenas tons de azul. Vermelhos e verdes são geralmente obtidos com estruturas de longo alcance ou pigmentação. Claro, existem técnicas para criar uma tonalidade vermelha estrutural artificial. No entanto, como afirmam os autores deste trabalho, as propriedades ópticas de um material desta cor são extremamente pobres.
Surge a pergunta - é possível, em princípio, criar uma cor vermelha estrutural completa? Para responder a esta questão, os cientistas decidiram utilizar uma abordagem numérica que fornece acesso direto ao espectro de reflexão de uma estrutura arbitrária e permite o estudo de modos de espalhamento intermediários, ou seja, entre espalhamento simples e comportamento de difusão.
Resultados da pesquisa
Para começar, usando um algoritmo numérico, foram criadas variantes de vidro fotônico (direto e inverso) com diferentes propriedades de espalhamento e correlação estrutural ( fator de estrutura * ).
Fator Estrutural * é uma descrição matemática de como um material espalha a radiação incidente.Em seguida, as propriedades ópticas das estruturas geradas foram calculadas usando o método das diferenças finitas no domínio do tempo. O modelo criado foi deliberadamente limitado ao espaço bidimensional, uma vez que tais estruturas são mais freqüentemente encontradas na natureza (imagem acima). Focar na estrutura bidimensional também permite expandir a gama de parâmetros estudados, enquanto limita os custos computacionais. No entanto, os cientistas estão confiantes de que os resultados obtidos podem ser aplicados para descrever estruturas tridimensionais.
Se não houver absorção, o espalhamento no vidro fotônico ocorre como resultado da interação entre as características das partículas individuais (tamanho, forma e índice de refração) ou devido à interação entre as propriedades de um grupo de partículas (fração de enchimento e correlações estruturais).
Imagem No. 2
No caso de PGs diretos, a reflexão é dominada por ressonâncias Mie * determinadas pelas propriedades do espalhador ( 2A ). Assim, a cor refletida pode ser alterada para visível redimensionando o difusor.
Ressonância de Mie * - um aumento na intensidade da radiação espalhada por uma partícula esférica para certos comprimentos de onda comparáveis ao tamanho da partícula (em homenagem a Gustav Mie, 1868-1957).No entanto, conforme o tamanho da partícula aumenta, o pico de ressonância Mie muda para o lado vermelho e um segundo pico aparece na parte azul do espectro, que corresponde a um modo de ressonância de ordem superior. Mas no espalhamento de luz em PGs inversos, prevalecem as correlações estruturais ( 2B ). O pico de reflexão, cuja posição está de acordo com as previsões da lei de Bragg * , é mais pronunciado do que em estruturas diretas.
A difração de Bragg * é o fenômeno de forte dispersão de ondas em uma matriz periódica de dispersores em certos ângulos de incidência e comprimentos de onda.O aparecimento de um único pico no espectro visível demonstra que o uso de PGs inversos é uma estratégia eficaz para minimizar o fator de forma na resposta óptica geral do sistema em favor de contribuições estruturais.
Fórmula da lei de Bragg: nλ = 2d · sin θ, onde d é o período da rede; θ é o ângulo de incidência da onda; λ é o comprimento de onda da radiação; n é o número de ondas.
Dependência da cor estrutural isotrópica do índice de refração para PG direto (superior) e inverso (inferior), respectivamente.
Alterar o índice de refração afeta a relação entre as contribuições de forma e estrutura. Os sistemas com um alto índice de refração são dominados por ressonâncias de fator de forma, que os impedem de atingir uma boa pureza de cor na região vermelha do espectro para PGs retos e inversos. Para sistemas diretos, mesmo quando o contraste do índice de refração é baixo, as ressonâncias do fator de forma resultam em reflexos aprimorados no lado da onda curta do pico estrutural. Ao contrário, no caso de PGs inversos, pode-se observar que o fator de estrutura forma um pico bem separado no espectro visível, mesmo na região vermelha dos comprimentos de onda.
Segue-se disso que PGs inversos com um índice de refração baixo podem superar PGs diretos em termos de pureza de cor e saturação.
Imagem No. 3
Reduzir o contraste do índice de refração entre a matriz de espalhamento (n m ) e os centros de espalhamento (n p ) pode contribuir ainda mais para a contribuição estrutural. A Figura 3A mostra que um aumento em np leva a uma diminuição da banda larga no coeficiente de reflexão e um desvio para o vermelho do pico estrutural. O pico da estrutura diminui em largura e tem uma intensidade maior em comparação ao fundo, resultando em melhor pureza da cor.
Uma diminuição no contraste do índice de refração reduz o papel do espalhamento múltiplo, que de uma forma ou de outra está presente em sistemas desordenados. Isso limita as cores estruturais isotrópicas ao modo de propagação da luz entre o espalhamento difuso * e a transferência balística * .
Espalhamento difuso * - espalhamento resultante de qualquer desvio da estrutura do material da estrutura de uma rede perfeitamente regular.
A transferência balística * é um fluxo desimpedido de portadores de carga (geralmente elétrons) ou partículas portadoras de energia por distâncias relativamente grandes em um material.O espalhamento múltiplo torna-se predominante com o aumento da espessura da amostra, resultando em uma resposta insaturada de banda larga.
As observações correspondentes também podem ser aplicadas a dispersores com geometrias complexas. Como os cientistas esclarecem, seu trabalho anterior apresentou a ideia de usar partículas de núcleo-casca * para separar as contribuições do fator de forma e do fator de estrutura e atingir um pico separado na região de comprimento de onda longo do espectro.
-* — , , .A Figura 3B mostra que diminuir o tamanho do centro de espalhamento (núcleo), enquanto mantém o comprimento de correlação estrutural, aumenta a intensidade e largura do pico de comprimento de onda longo (estrutural). Ao mesmo tempo, a contribuição de comprimento de onda curto das ressonâncias Mie é deslocada para o ultravioleta.
A Figura 3A mostra que o contraste do índice de refração reduzido pode suprimir o espalhamento múltiplo, enquanto a separação das contribuições do fator de forma e do fator de estrutura é possível através de partículas núcleo-casca ( 3B ).
A combinação de ambos os métodos é mostrada em 3C . Isso permite valores mais altos de pureza e saturação de cor devido a picos bem separados na parte de onda longa do espectro visível.
No próximo estágio do estudo, os cientistas prestaram atenção em avaliar a saturação e a pureza da cor. Para quantificar esses parâmetros, os espectros de refletância de PG direto, inverso e núcleos de casca foram convertidos em tons de cores. A pureza da cor pode ser definida como a distância normalizada do ponto branco no diagrama de cromaticidade em relação ao ponto vermelho (no caso de cores vermelhas). A saturação quantifica o quanto a intensidade da luz refletida é espalhada pelo espectro em diferentes comprimentos de onda.
Imagem # 4
Em 4A, os vários sistemas para os tons de vermelho são plotados no diagrama de espaço de cores CIE XYZ. Em 4B, os valores correspondentes de pureza e saturação são calculados.
É importante notar que todos os PGs inversos exibem pureza de cor e valores de saturação mais altos do que os vermelhos de PGs retos. No entanto, a inclusão de partículas núcleo-casca no sistema de partículas não resulta em melhoria significativa em relação ao PG inverso padrão. Se você combinar as duas abordagens, poderá obter níveis mais elevados de pureza e saturação. No entanto, eles serão muito mais baixos do que o vermelho real (ou seja, do modelo KZS - vermelho, verde, azul).
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório dos cientistas e materiais adicionais a ele.
Epílogo
Neste trabalho, os cientistas foram capazes de demonstrar que os vidros fotônicos têm limitações internas para obter tons de vermelho rico. Isso se deve à interação entre a ressonância associada ao fator de estrutura, o espalhamento associado ao fator de forma e o fundo de espalhamento múltiplo. Uma base como essa facilita a obtenção de cor estrutural na faixa do azul UV, mas não em comprimentos de onda maiores.
Também foi provado que a alta pureza e saturação de cor para tons de vermelho não podem ser alcançados em estruturas de ordenação de curto alcance isotrópicas, mesmo no caso de morfologias difusoras complexas.
De acordo com os cientistas, tais observações podem indicar que a natureza foi forçada (falando figurativamente) a criar formas alternativas de formar sombras vermelhas (por exemplo, estruturas multicamadas ou diamante).
Combinar várias abordagens para criar uma tonalidade vermelha estrutural pode melhorar a clareza e a saturação, mas ainda não são suficientes para atingir o vermelho real.
Verificou-se também que, devido à interação complexa entre espalhamento único e múltiplo, o amarelo e o laranja, além do vermelho, também são difíceis de obter em termos de cores estruturais.
Essas pesquisas permitem um melhor entendimento das cores estruturais, bem como o desenvolvimento de novos métodos de criação de materiais que podem ser a base para aquelas tonalidades que não são encontradas nas cores estruturais naturais. Novos tipos de nanoestruturas (por exemplo, estruturas hierárquicas de rede ou multicamadas) podem ajudar nisso, segundo os autores do estudo.
Seja como for, o trabalho com as cores estruturais continuará no futuro. Métodos modernos de estudo de estruturas em nanoescala e meios de sua reconstrução permitem uma descrição mais detalhada dos processos que ocorrem no material, o que, naturalmente, contribui para o alcance do controle sobre esses processos.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)
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