Sapere Scienza

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Gocce d’acqua e colori iridescenti per inchiostri e coloranti non tossici

18 Marzo 2019

In specifiche condizioni, delle semplici gocce d'acqua pulita poste su una superficie trasparente possono produrre colori brillanti, senza l'aggiunta di inchiostri e coloranti. Un fenomeno in parte già conosciuto, osservato un po' per caso, e che, in seguito, è stato esaminato con attenzione e descritto in un articolo pubblicato su Nature dagli ingegneri del MIT-Massachusetts Institute of Technology e della Penn State University. Una nuova generazione di cosmetici e inchiostri privi di componenti tossici potrebbero essere presto a nostra disposizione.

 

 

Una osservazione casuale: tra arcobaleni e fibre ottiche

 

Esistono in natura colori particolarmente brillanti, ad esempio quelle delle ali di alcune specie di farfalle o delle penne del pavone, i quali non dipendono da un pigmento ma dalla presenza di strutture microscopiche che riflettono i raggi di luce e fanno sì che quest'ultimi si sommino dando seguito al fenomeno ottico dell'interferenza: sono i colori strutturali. Questo effetto può essere osservato anche nello strato di condensa su un piatto di plastica o dentro una bottiglia d'acqua ed è proprio da qui che si è accesa la scintilla che ha poi portato al lavoro descritto su Nature.
Amy Goodling e Lauren Zarzar, scienziate della Penn State University, stavano studiando le gocce trasparenti di emulsioni prodotte a partire da oli di differenti densità mescolati tra loro. Osservavano l'interazione delle gocce su una piastra di Petri pulita quando hanno notato che apparivano di colore blu. A quel punto hanno fotografato la piastra e hanno inviato l'immagine a Mathias Kolle, professore di ingegneria meccanica del MIT, chiedendogli se conoscesse il perché di quella colorazione. Inizialmente Kolle pensò si trattasse dello stesso effetto che è alla base della formazione dell'arcobaleno: la diffusione di Mie (o scattering Mie) che spiega come la luce del sole sia deviata dalle gocce di pioggia e i colori singoli vengano separati in differenti direzioni. In fisica questa teoria descrive il modo in cui le sfere diffondono un piano di onde elettromagnetiche. Sfere. Ma quelle di Zarzar e Goodling erano semisfere o cupole su una superficie piana.
Sara Nagelberg del MIT, colei che ha diretto la parte riguardante la definizione del modello per spiegare il fenomeno, notò che le semisfere d'acqua rompevano la simmetria, ossia non erano sfere perfette. Un'obiezione significativa in quanto la superficie concava di una semisfera permette un effetto ottico impossibile in una sfera: la riflessione interna totale, quella impiegata per il funzionamento delle fibre ottiche. In questo caso la luce colpisce l'interfaccia tra un medium con un indice di rifrazione alto (ad esempio, l'acqua) verso un medium con un indice di rifrazione più basso (l'aria) a un angolo così ampio che il 100% della luce è riflessa. Quando la luce entra in una singola goccia avviene una riflessione interna totale lungo la sua interfaccia concava: il raggio percorre traiettorie differenti, rimbalzando più volte prima di uscire con una nuova angolazione. Il modo in cui i raggi di luce si sommano uscendo dalla goccia determinano se quest'ultima sarà colorata o no.

 

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Esperimenti per la progettazione di nuovi materiali
 

Il colore delle gocce dipende anche dalla struttura, cioè dalla loro dimensione e curvatura, oltre che dal loro indice di rifrazione. Sara Nagelberg ha introdotto questi parametri in un modello matematico per poter prevedere il colore prodotto in definite condizioni strutturali e ottiche, modello testato da Zarzar e Goodling sulle gocce realizzate in laboratorio. Per fare questo, il gruppo ha migliorato l'esperimento iniziale preparando emulsioni di cui si potessero controllare le dimensioni attraverso un dispositivo microfluidico (la microfluidica si occupa di sistemi che processano o manipolano piccole quantità di liquidi, nell'ordine di 10-9 a 10-18 litri). È stato quindi creato un tappeto di gocce della medesima grandezza su una piastra di Petri pulita, illuminata con una singola luce bianca fissa. Le ricercatrici hanno filmato le gocce con una videocamera che girava intorno alla piastra, osservando colori brillanti che mutavano a seconda dell'angolo di ripresa: la dimostrazione che l'angolazione influenza il colore delle gocce. Oltre alle ulteriori prove per testare le modificazioni di colore in base al cambiamento delle dimensioni e della curvatura, le scienziate hanno provato a stampare in 3D piccole calotte solide e cupole con differenti materiali trasparenti a base di polimeri e hanno osservato un effetto simile a quello delle gocce in queste particelle solide, sempre in linea con le previsioni fornite dal modello matematico.

 

 

Dalla cosmesi agli inchiostri, stop a sostanze tossiche

 

Il modello può essere utilizzato come una guida per progettare la produzione di cartine di tornasole o polveri iridescenti o coloranti per l'industria cosmetica. Kolle ha commentato: "C'è uno spazio con parametri complessi su cui si può giocare. Si può adattare la dimensione, la morfologia delle gocce e le condizioni di osservazione per creare il colore desiderato". Il professore del MIT ha proseguito: "I coloranti sintetici impiegati nei beni di consumo per creare colori brillanti possono non essere salubri come dovrebbero. Giacché alcuni di queste tinte sono fortemente regolate, le aziende stanno chiedendo se possono usare colori strutturali per rimpiazzare colori potenzialmente nocivi. Grazie alle attente osservazioni di Amy Goodling e Lauren Zarzar della Penn State University e al modello di Sara, che porta alla luce la spiegazione fisica di questo effetto, ci potrebbe essere una risposta".

 

Potrete imparare a guardare il mondo che vi circonda con uno sguardo più attento, un po' come le protagoniste della ricerca raccontata in questo articolo, acquistando e leggendo il libro "La lente di Galileo" di Jean-Michel Courty ed Édouard Kierlik (edizioni Dedalo).

 

Immagine di copertina: modificando la dimensione, l'angolo di illuminazione e la curvature, gli ingegneri del MIT sono riusciti a produrre colori brillanti, con schemi prevedibili, da gocce d'acqua altrimenti trasparenti. Credits: Felice Frankel

Copertina   marzo-aprile 2019

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