如何從透明中變出五彩斑斕？你只需要一杯熱水，再加上這樣道具……

當潮濕溫暖的空氣遇到涼涼的眼鏡片、鏡子或者其他類似的表面，冷凝的小水滴總是會在上面蒙上一層「薄霧」。

這層霧看起來是什麼顏色？你可能會說，當然是白色啦！畢竟它都是由無色透明的小水珠組成的嘛。

但是，事情沒有這麼簡單。在特定的情況下，原本無色的小水珠其實能形成一層五彩斑斕的霧！

這個真的是水。原視頻來源：參考文獻1

而且這還不是最厲害的。真正最厲害的是——這層五彩斑斕的水霧發在了《自然》上，而且還登上了2月28日的期刊封面：

封面圖片：Sara Nagelberg

彩色的水霧到底是怎麼回事？下面我就來詳細講講。

如何擁有同款彩色水霧？

想要觀察到和Nature封面研究同款的彩色水霧，首先需要準備一個聚苯乙烯材質的透明塑料培養皿。只要有了這樣道具，剩下的事情其實都很簡單：只要在培養皿里倒上一些熱水，蓋上蓋子，並用一束白光把它照亮即可。

下面是我自己測試的結果。實驗中用的是準直LED光源，我這裡沒有專門的光源，只是靠房間頂上的日光燈。雖然效果沒有那麼好，但色彩確實看得很清楚了：

毫無PS的作者手抖自攝……動圖經過加速，實際時間十秒左右

從實際觀察來看，從蓋上蓋子起水霧色彩的分布一直都在變化，這些色彩肉眼明顯可見的時間並不會維持很久。

而如果在顯微鏡下觀察這些彩色水霧，會發現這些微米級的小水滴邊緣都有一個明亮的「彩色光圈」。不同大小的液滴「光圈」顏色各不相同。

在顯微鏡下看，每個小水滴的邊緣都頂著一個彩色的光圈。我知道這個圖很像畫的，但確實不是_(:з」∠)_圖片來自原論文，大圖的下方的比例尺是200μm，小圖的比例尺是1cm。

彩色從哪兒來？

首先需要說明：這不是一道迷你版的彩虹，也不是一個個超小號肥皂泡。水霧上的色彩形成原因和顏色的分布規律都與這兩種常見現象不同。

研究者發現，彩色水霧其實是兩種光學現象共同作用的結果：一個是全反射，一個是干涉。

當光線從折射率大介質入射，並且角度超過一個臨界值時就會發生全反射。

動圖來源：QuantumBoffin

而當光線從上方入射時，它就很容易沿著培養皿下壁的液滴邊緣發生全反射（如下圖）。光線可能會從不同的路徑發生全反射，這些路徑的長度不同，因此光線最終出射時就產生了相位差。具有相位差的光線彼此發生干涉，就能讓白光變成不同的色彩。

全反射與干涉的共同作用讓微米級小液滴產生色彩。截圖來源：MIT

這個效應取決於液滴的折射率，同時也非常依賴液滴的大小和形狀。一定要選擇塑料而不是玻璃的培養皿，就是為了讓掛壁的水滴形成合適的形狀。

為啥要研究這個？

這種小液滴的虹彩現象最初是艾米·古德林（Amy Goodling）和勞倫·扎扎爾（Lauren Zarzar）兩個人發現的。當時他們在研究一些培養皿上的透明小液滴（不過並不是水），研究中突然發現液滴看起來格外地藍，這激起了他們的研究興趣。

除了滿足好奇心，這項研究也為人們提供了一種製造結構色的新思路。雖然培養皿蓋子上的小液滴沒法保持穩定，但把液滴換成聚合物小顆粒也可以實現同樣的效果。而且研究者們也為這種現象建立了模型，可以預測不同條件下的顏色規律。

然而，這種虹彩現象的效果非常取決於光源和觀察角度，這一點會限制它的應用前景。

轉一轉角度，液滴的虹彩看起來就完全不一樣了。這裡展示的不是水滴，不過原理類似。原視頻來自參考文獻1

不過，能在家裡擁有一個Nature封面同款我還是非常開心的……

參考資料：

http://news.mit.edu/2019/water-droplets-structural-color-0227

作者：窗敲雨

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