Struktūrinė spalva: apibrėžimas, mechanizmas ir pavyzdžiai

Struktūrinė spalva - tai spalva, atsirandanti dėl ypatingos paviršiaus struktūros. Kartais struktūrinis spalvinimas derinamas su pigmentais: pavyzdžiui, povų uodegos plunksnos yra pigmentinės rudos spalvos, tačiau dėl savo struktūros jos atrodo mėlynos, turkio ir žalios, o neretai ir vaivorykštinės. Struktūrinėms spalvoms būdingas tai, kad jos gali keistis priklausomai nuo stebėjimo kampo, intensyvumo bei apšvietimo sąlygų — todėl jas dažnai vadiname ir iždusinančiomis arba išblizginančiomis (angl. iridescencija).

Mechanizmas

Struktūrinė spalva susidaro ne dėl šviesos absorbcijos, kaip tai vyksta su pigmentais, o dėl šviesos sąveikos su mikro‑ arba nanometro dydžio reljefu ir struktūra. Pagrindiniai fizikinių mechanizmų tipai:

• Interferencija (plonų sluoksnių interferencija) – kai šviesa atsimuša nuo kelių arti esančių sluoksnių paviršių, atspindžiai gali susilieti konstruktyviai arba destruktyviai. Taip susidaro ryškūs, dažnai kampais priklausomi atspalviai (pvz., muilo burbulai, aliejaus plėvelės, kai kurie drugelių sparnų ir paukščių žvilgsnio efektai).
• Difrakcija ir tarpelinė interferencija – periodinės struktūros (pvz., grublėtos plokštelės arba grėbliai) gali išskirti ir nukreipti skirtingas bangas skirtingais kampais, taip formuodamos spalvotus raštus.
• Sklaida (Tyndall arba Rayleigh sklaida) – smulkios struktūros ar dalelės sklaidydamos trumpesnio ilgio bangas labiau nei ilgesnio ilgio gali sukurti mėlyną arba kitą atspalvį. Tai dažna neirizuojančių (kampo ne taip priklausančių) mėlynų paukščių plunksnų priežastis.
• Fotoniškai kristalai ir daugiasluoksnės struktūros – periodiškai organizuotos nanostruktūros gali selektyviai atspindėti tam tikrą bangos ilgį, veikdamos kaip natūralūs „filtrai“ arba „veidrodžiai“ tam tikram spektrui.

Istorija

Anglų mokslininkai Robertas Hukas ir Izaokas Niutonas pirmieji pastebėjo struktūrinę spalvą. Thomas Youngas šimtmečiu vėliau aprašė jos principą ir pavadino ją bangų interferencija. Youngas aprašė vaivorykštę kaip atspindžių nuo kelių plonų plėvelių paviršių interferencijos ir šviesos lūžio, kai šviesa įeina į tokias plėveles ir išeina iš jų, rezultatą. Tuomet geometrija lemia, kad tam tikrais kampais nuo abiejų paviršių atsispindėjusi šviesa sumuojasi (interferuoja konstruktyviai), o kitais kampais - atimama. Dėl to skirtingais kampais atsiranda skirtingos spalvos.

Pavyzdžiai gamtoje

• Povų plunksnos: pavyzdžiui, minėtos povų uodegos, kur pigmentai kartu su sluoksneline struktūra sukuria intensyvius, spalvingus raštus.
• Drugelių sparnai: Morpho genties drugeliai turi sudėtingas mikrostruktūras, kurios stipriai interferuoja su šviesa ir sukuria ryškią mėlyną spalvą.
• Vabzdžiai: daugelio blizgių vėžlių, žybsčių ir kitų vabzdžių išorinės dangos turi fotoniškas struktūras, sukeliančias metalinį žėrėjimą.
• Paukščiai: kai kurių paukščių mėlyna spalva nėra pigmentinė, o susidaro dėl keratino tinklo ir oro porų plunksnose (tai duoda spalvą, kuri mažiau priklauso nuo kampo).
• Mineralai ir opalai: opalai yra natūralūs fotoniški kristalai: jų mikrostruktūra sukuria spalvingus interfeisuojančius efektus.
• Kasdieniai pavyzdžiai: muilo burbulai, aliejaus plėvelės ant vandens arba automobilių perlamutriniai dažai — tai visi struktūrinės spalvos demonstraciniai pavyzdžiai.

Skirtumas nuo pigmentų

Pigmentai suteikia spalvą absorbuodami tam tikrus bangos ilgius ir atspindėdami kitus. Jie dažniausiai yra cheminės medžiagos, kurios neišryškėja priklausomai nuo stebėjimo kampo. Struktūrinė spalva kyla iš fizinės sąveikos tarp šviesos ir paviršiaus struktūros — dažnai ji yra kampo priklausoma, gali keistis šviesos intensyvumo ar poliarizacijos atžvilgiu ir gali būti ypač intensyvi be jokių cheminių pigmentų.

Technologijos ir panaudojimas

Struktūrinės spalvos tyrimai ir biomimikrija atveria daug praktinių pritaikymų:

• antikoroziniai ir priešklastojimo ženklinimai (banknotai, dokumentai);
• ilgaamžės spalvos be cheminių dažų (ekologiškesni paviršiai ir tekstilė);
• optiniai jutikliai, kurių spalva keičiasi reaguojant į drėgmę, temperatūrą ar chemines medžiagas;
• naujoviški ekranai ir vizualizacijos, kur spalva gauta fiziniais strukturiniais principais sumažina energijos poreikį.

Pastabos ir iššūkiai

Nors struktūrinės spalvos turi daug privalumų, jų gamyba pramoniniu mastu reikalauja tiksliai valdomų nanostruktūrų — tai gali būti brangu ir techniškai sudėtinga. Be to, kai kurių struktūrinių spalvų jautrumas stebėjimo kampui gali būti pageidavimu ne kiekvienoje aplikacijoje.

Struktūrinė spalva — tai įdomus ir aktyviai tyrimų lauką plečiantis reiškinys, jungiantis fiziką, biologiją ir inžineriją, ir suteikiantis įkvėpimo kuriant naujus, efektyvius ir dažnai ekologiškesnius spalvų sprendimus.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra struktūrinė spalva ir kaip ji veikia?

K: Kas gaunama derinant pigmentus ir struktūrinį spalvinimą?

K: Kas buvo pirmieji mokslininkai, pastebėję struktūrinį spalvinimą?

K: Kas aprašė struktūrinio spalvotumo principą ir kaip jį pavadino?

Klausimas: Kaip dėl objekto geometrijos skirtingais kampais atsiranda skirtingos spalvos?

K: Kas yra vaivorykštė ir kaip ji pasiekiama per struktūrinį spalvinimą?

Klausimas: Koks yra objekto, kuriam būdinga ir pigmentacija, ir struktūrinis nuspalvinimas, pavyzdys?

Paieška pagal raidę