Fisica: basta una goccia d’acqua per riprodurre tutti i colori

Che cos’è il colore? Se ci chiedono che sia il rosso o il verde noi tendiamo a rispondere “È il colore del sangue” oppure “È il colore delle foglie degli alberi”, ma non sappiamo dire che cosa sia davvero il colore. 

Il colore è il modo con cui il nostro cervello codifica le diverse lunghezze d’onda della luce visibile: la luce visibile non è altro che una mistura di radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d’onda comprese tra circa 350 e 700 nanometri – oppure equivalentemente onde elettromagnetiche con frequenze comprese tra i 770 ed i 430 THz. I vari colori e le loro gradazioni sono quindi associati alle lunghezze d’onda e all’intensità della radiazione. La luce bianca – che contiene tutte e una buona parte delle frequenze della luce visibile – prodotta dal sole o da una sorgente artificiale arriva sulla superficie di un oggetto e viene in parte assorbita ed in parte riflessa, in base alla lunghezza d’onda e alla caratteristiche del materiale. La parte riflessa arriva ai nostri occhi e noi ne codifichiamo il contenuto armonico (cioè le varie frequenze) con un colore. 

Spettro elettromagnetico

Una materiale assume un certo colore in basa alla luce che riflette. Controllare i meccanismi che regolano la riflessione della luce sulla superficie di un materiale non è però semplice perché si tratta di un meccanismo che avviene a livello atomico, infatti molto spesso si usano pigmenti di origine naturale, trattati e miscelati a dovere con altre sostanze. Un team di ricercatori è però riuscito a produrre dei colori puri partendo solo da delle gocce d’acqua appoggiate su di una superficie. Per capire come hanno fatto prima di tutto serve qualche nozione elementare di ottica. 

Un raggio di luce quando passa da un mezzo (ad esempio l’aria) ad un altro (ad esempio l’acqua o il vetro) subisce due effetti: una parte della radiazione viene riflessa con un’angolo pari a quello di incidenza, mentre una parte viene trasmessa (o rifratta) all’interno del materiale con un angolo diverso; questo implica un cambio di direzione del raggio. Viaggiando all’interno del materiale, la luce trasmessa prima o poi incontrerà una seconda interfaccia (ad esempio il tavolo su cui è appoggiata la lente o la goccia d’acqua) e subirà di nuovo una riflessione e una rifrazione  con cambio di direzione.

Il diverso comportamento delle diverse frequenze (che corrispondono a diversi colori) nell’interazione con una goccia d’acqua nel fenomeno di dispersione

In particolari condizioni che sono legate alla frequenze, all’indice di rifrazione del materiale e all’angolo di incidenza possiamo avere il fenomeno delle riflessione totale: tutto il raggio viene riflesso e torna indietro. Dato che il fenomeno della riflessione totale è legato alla frequenza e alla geometrica del problema, è possibile fare in modo che solo una specifica frequenza – o un certo range limitato di frequenze – venga completamente riflessa indietro, colorando le gocce d’acqua di uno specifico colore.

Riflessione totale nella fibra ottica

Le leggi fisiche che controllano l’interazione della luce con la materia sono raccolte nei principi dell’ottica e sono più complesse rispetto a quanto riportato, ma l’idea è le diverse frequenze si comportino in maniera diversa a seconda della geometria del problema e dei materiali utilizzati. Molti fenomeni ottici sono davvero sorprendenti e apparentemente inspiegabili, come questo che permette di colorare l’acqua di tonalità vivaci ed intense.

Risultato della ricerca: questi non sono colori a tempera, ma semplici gocce d’acqua di opportune dimensioni e forme

Fisica: tutti i colori a partire da una goccia d’acqua

La ricerca sulla possibilità di ottenere colori brillanti a partire da semplice gocce d’acqua appoggiate su di una superficie trasparente è stata condotta dal Massachusetts Institute of Technology (Mit) e dalla Pennsylvania State University; i risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature. L’iridescenza è un fenomeno abbastanza comune in natura e inizialmente i ricercatori, guidati da Amy Goodling della Penn State e Sara Nagelberg del Mit, pensavano che i colori osservati sulle gocce fossero dovuti ad un fenomeno analogo a quello degli arcobaleni: le gocce sferiche, sospese nell’aria vengono colpite dalla luce, ma le diverse frequenze al loro interno – per via dei meccanismi di riflessione e rifrazione a diversi angoli illustrati poco fa – compiono percorsi diversi, separando i vari colori. In questo caso però le gocce non sono perfettamente sferiche, ma delle semisfere. La particolare configurazione geometrica permette di riflettere indietro tramite il fenomeno della riflessione totale il 100% della radiazione luminosa. Viaggiando all’interno della goccia le componenti cromatiche si separano e possono essere selezionate variando l’angolo di osservazione e le caratteristiche geometriche delle gocce, quali dimensione e raggio di curvatura. 

Il difficile è stato poi elaborare un modello in grado di predire il colore riflesso dalle gocce in base alle loro caratteristiche. Combinando le osservazioni sperimentali con le ben note leggi di ottica e trasmissione delle radiazioni elettromagnetiche, i ricercatori sono stati in grado di creare un modello matematico preciso e affidabile che permetterà di sviluppare applicazioni pratica del fenomeno. Ad esempio si potranno produrre nuovi pigmenti in grado di cambiare colore – ricordiamo che il fenomeno è legato alla direzione di osservazione – a partire da una sostanza molto semplice e non tossiche come l’acqua. In ogni caso tutti i materiali godono di proprietà analoghe e si potranno sviluppare ad esempio superfici in vetro o plastica, disseminate di microscopiche gocce in grado di cambiare colore. Più difficili saranno le applicazioni invece nel campo dei display, data la forte dipendenza del fenomeno dall’angolo di osservazione. Inoltre ricordiamo che il colore è generato tramite fenomeni di riflessione della luce ambientale; serve quindi una fonte di luce esterna per generare il colore. 

Il confronto tra le previsioni del modello sviluppato dai ricercatori e la realtà
Fonte: M. Kolle, Nature

Si tratta comunque di un fenomeno di grande impatto visivo e soprattutto generato in maniera molto “ecologica” rispetto ai pigmenti chimici. Dalla sezione scienze è tutto! Continuate a seguirci per tante news ed approfondimenti dal mondo naturale. E se avete qualche curiosità non esitate a chiedere spiegazioni!