Структурная окраска: цвет без пигментов и красителей [Veritasium]
[музыка]
А вы знали, что прозрачную пластиковую плёнку можно сделать разноцветной без красителей и пигментов, просто проделав в нём дырки?
Сперва давайте поговорим про свет. Большинство из вас в курсе, что свет — это форма электромагнитного излучения. Но если подумать, это довольно необычное явление. Свет — это сочетание электрического и магнитного поля. Из-за электрического поля эти шарики отталкиваются друг от друга, а магнитное заставляет эти магниты наоборот притягиваться.
Но каким образом электрическое поле, для которого нужен заряд, и магнитное поле, для которого нужен магнит, можно объединить так, чтобы они смогли двигаться со скоростью света? Для этого электрическое и магнитное поле должны постоянно меняться, чего можно добиться, перемещая электроны в пространстве. Это вызывает колебания электрического и магнитного полей, которые перемещаются в пространстве в виде электромагнитной волны.
Какая будет длина у волны видимого спектра? Возьмём линейку и обратим внимание на отметку миллиметра. Теперь растянем миллиметр до 1 метра, далее разделим его на тысячу частей, или, иными словами, возьмём миллиметр от миллиметра, который далее поделим пополам. Это и будет длина волны зелёного света. Да, это маленькая величина, настолько как кажется, и природа придумала, как этим воспользоваться.
Поглядим на бабочку морфа Лида. Эта бабочка знаменита своими ярко-синими крыльями. Правда, пока не совсем ясно, зачем они ей: может, чтобы привлекать партнёра или что-то такое. Основная теория гласит, что дело напротив в хищниках. Она как бы предупреждает: "Ты знаешь, что я очень быстрая". Так что даже не пытайся поймать!
Тельным переливчатым окрасом бабочка обязана вовсе не пигменту. Всё дело в особом строении чешуек на крыльях. Рассмотрев их под микроскопом, мы увидим решётчатые структуры, похожие на кисточки для туши. Они удерживают часть спектра, отражая именно синий цвет. Но стоит взглянуть на бабочку против солнца, чтобы на переднюю поверхность крыльев свет не падал, именно синего как не бывало, и мы видим лишь бкю.
Оборотная сторона крыльев на самом деле почти прозрачные. Если свет не отражается, то и синего цвета тоже нет. Флинт и его коллеги пытаются использовать похожую технологию для разработки средств защиты на банкнотах, карточках и билетах. Перед вами кусок тонкого прозрачного пластика, в котором мы проделали малюсенькие дырочки, не больше 100 нанометра в глубину и столько же в диаметре. Каждая такая маленькая картинка содержит примерно 5 миллионов дырочек.
Эти отверстия создают что-то вроде решётки, и свет разного цвета отражается по-разному, из-за чего и получаются такие переливы. По своей сути это похоже на то, что происходит с мыльной плёнкой. Если внимательно её рассмотреть, мы заметим, что всех цветов радуги на ней не увидеть. Присутствует лишь голубой, пурпурный и жёлтый, и вот почему.
Всё дело в том, что некоторые цвета мыльная плёнка не отражает. На неё падает полный спектр, но она, в зависимости от толщины слоя, удерживает волны той или иной длины. Глядя на плёнку, мы видим смесь тех цветов, которые от неё отразились. Чтобы, к примеру, получился оттенок пурпурного, нам нужно убрать зелёный — тот цвет, который отражается от передней поверхности плёнки, интерферирует со светом, отражённым от задней поверхности. В данном случае волны длиной около 500 нанометров гасят друг друга, и исчезает из отражённого спектра.
До нас доходит всё остальное свет с длиной волны меньше или больше длины волны зелёного. Их сочетание даст красивый пурпурный цвет. Мы пытаемся повторить природные структуры, но при этом учитывать возможности и требования производства. Например, технологию печатного станка, который должен будет по сути выдавливать все эти изображения на плёнку.
Как изготовить печатный блок для такого станка? Как это возможно? Вполне возможно. Да, разве такие крохотные иголочки не будут просто ломаться каждый раз при печати? Да, многие так думают. Они же такие малюсенькие. А всё, что маленькое, должно быть хрупким. Но не в этом случае.
Структуры на наших штампах прочные благодаря соотношению сторон: это отношение высоты к ширине. Если взять 10 к 1, например, получится что-то тонкое, а потому хрупкое. В идеале нам нужно соотношение сторон 1 к 1 или 1 к 2. У нас ширина 200 нанометров, а высота 300-400 — именно такими мы и печатаем. Они прочные и нас не подводят.
Кстати, в Австралии пользуются пластиковыми банкнотами, в которых есть небольшое прозрачное окошко для защиты от мошенников. Возможно, в будущем туда добавят миллионы крохотных нанометровых врак из полимера. Ваша технология найдёт применение там. Из Австралии уже звонили. Я не понимаю, о чём вы.
Переведено и озвучено студией Верт Дайдер.