Banyak yang percaya bahwa alat utama artis adalah kuas, kuda-kuda, dan palet. Namun, ini hanyalah cara untuk menggunakan alat yang sebenarnya - warna. Dunia kita penuh dengan berbagai macam warna, dari merah menyala hingga biru beku. Warna benda dan warna makhluk hidup merupakan hasil dari sejumlah proses fisik dan / atau kimiawi. Mengingat keragaman warna, terkadang sulit untuk memahami perbedaan mekanisme asalnya. Ilmuwan dari Universitas Cambridge memutuskan untuk mencari tahu mengapa warna struktural, yang bergantung pada arsitektur permukaan berskala nano, dan bukan pada pigmen kimiawi, bukanlah warna merah, tetapi hanya biru atau lebih jarang hijau. Apa rahasia dari batasan warna ini dan bagaimana tepatnya Anda berhasil membangun kebenaran? Laporan para ilmuwan akan membantu kita menjelaskan pertanyaan-pertanyaan ini. Pergilah.
Dasar penelitian
Contoh struktur bunga di alam: A - kembang sepatu trifoliate (Hibiscus trionum); B - kumbang tamamusi (Chrysochroa fulgidissima); C - kupu-kupu dari spesies Morpho rhetenor; D - nyamuk biasa (Culex pipiens); E - tikus laut (Aphrodita aculeata); F - kumbang dari spesies Pachyrhynchus argus; G - kupu-kupu dari spesies Parides sesostris
Warna struktural merupakan hasil interferensi cahaya, yang disebarkan oleh elemen permukaan non-penyerap berukuran nano. Ini adalah proses yang lebih fisik daripada kimia, seperti halnya pigmentasi, di mana warna bergantung pada penyerapan selektif di sepanjang gelombang.
Warna struktural memiliki banyak keunggulan dibandingkan warna pigmen:
- , , ;
- ;
- , .
Gambar №1
Dengan mempertimbangkan sifat positif dari warna struktural, banyak teknik telah dikembangkan untuk rekreasinya, atau lebih tepatnya, teknik untuk membuat struktur hierarki atau struktur tatanan jarak pendek dengan warna yang tidak bergantung pada sudut. Hasil dari perkembangan ini adalah kaca fotonik (PG untuk kaca fotonik ), yang secara biologis setara dengan bulu banyak burung (gambar di atas).
Nuansanya adalah bahwa di alam, warna struktural hanyalah corak biru. Warna merah dan hijau biasanya diperoleh dengan struktur atau pigmentasi jarak jauh. Tentu saja, ada teknik untuk membuat rona merah struktural buatan. Namun, seperti yang diklaim oleh penulis karya ini, sifat optik material dengan warna ini sangat buruk.
Timbul pertanyaan - apakah mungkin, pada prinsipnya, untuk membuat warna merah struktural yang lengkap? Untuk menjawab pertanyaan ini, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan pendekatan numerik yang memberikan akses langsung ke spektrum refleksi dari struktur arbitrer dan memungkinkan studi mode hamburan menengah, yaitu antara perilaku hamburan tunggal dan difusi.
Hasil penelitian
Untuk memulainya, menggunakan algoritma numerik, varian kaca fotonik (langsung dan terbalik) dengan sifat hamburan dan korelasi struktural yang berbeda ( faktor struktur * ) telah dibuat.
Faktor Struktural * adalah deskripsi matematis tentang bagaimana suatu material menyebarkan insiden radiasi.Selanjutnya, sifat optik dari struktur yang dihasilkan dihitung menggunakan metode beda hingga dalam domain waktu. Model yang dibuat sengaja dibatasi pada ruang dua dimensi, karena struktur seperti itu paling banyak ditemukan di alam (gambar di atas). Berfokus pada struktur dua dimensi juga memungkinkan Anda untuk memperluas rentang parameter yang dipelajari, sambil membatasi biaya komputasi. Meski demikian, para ilmuwan yakin bahwa hasil yang diperoleh dapat diterapkan untuk menggambarkan struktur tiga dimensi.
Jika tidak ada absorpsi, maka hamburan pada kaca fotonik terjadi sebagai akibat interaksi antar karakteristik masing-masing partikel (ukuran, bentuk, dan indeks bias) atau akibat interaksi antar sifat sekelompok partikel (fraksi pengisian dan korelasi struktural).
Gambar No. 2
Dalam kasus PG langsung, refleksi didominasi oleh resonansi Mie * yang ditentukan oleh sifat pencar ( 2A ). Dengan demikian, warna yang dipantulkan dapat diubah menjadi terlihat dengan mengubah ukuran diffuser.
Resonansi Mie * - peningkatan intensitas radiasi yang dihamburkan oleh partikel bola untuk panjang gelombang tertentu yang sebanding dengan ukuran partikel (dinamai menurut Gustav Mie, 1868-1957).Namun, seiring bertambahnya ukuran partikel, puncak resonansi Mie bergeser ke sisi merah, dan puncak kedua muncul di bagian biru spektrum, yang sesuai dengan mode resonansi orde tinggi. Tapi dalam hamburan cahaya di PG terbalik, korelasi struktural ( 2B ) berlaku . Puncak refleksi, yang posisinya sesuai dengan prediksi hukum Bragg * , lebih terlihat daripada dalam struktur langsung.
Difraksi Bragg * adalah fenomena hamburan gelombang yang kuat pada susunan hamburan periodik pada sudut datang dan panjang gelombang tertentu.Munculnya satu puncak dalam spektrum yang terlihat menunjukkan bahwa menggunakan PG terbalik adalah strategi yang efektif untuk meminimalkan faktor bentuk dalam respons optik keseluruhan dari sistem yang mendukung kontribusi struktural.
Rumus hukum Bragg: nλ = 2d · sin θ, dimana d adalah periode kisi; θ adalah sudut datang gelombang; λ adalah panjang gelombang radiasi; n adalah jumlah gelombang.
Ketergantungan warna struktural isotropik pada indeks bias untuk PG langsung (atas) dan invers (bawah).
Perubahan indeks bias mempengaruhi hubungan antara bentuk dan kontribusi struktur. Sistem dengan indeks bias tinggi didominasi oleh resonansi faktor bentuk, yang mencegahnya mencapai kemurnian warna yang baik di wilayah merah spektrum untuk PG lurus dan invers. Untuk sistem langsung, bahkan ketika kontras indeks bias rendah, resonansi faktor bentuk menghasilkan pantulan yang ditingkatkan pada sisi gelombang pendek puncak struktural. Sebaliknya, dalam kasus PG terbalik, terlihat bahwa faktor struktur membentuk puncak yang terpisah dengan baik pada spektrum tampak, bahkan di daerah merah panjang gelombang.
Oleh karena itu, PG terbalik dengan indeks bias rendah dapat mengungguli PG lurus dalam hal kemurnian dan saturasi warna.
Gambar No. 3
Penurunan kontras indeks bias antara matriks hamburan (n m ) dan pusat hamburan (n p ) selanjutnya dapat berkontribusi pada kontribusi struktural. Gambar 3A menunjukkan bahwa peningkatan np menyebabkan penurunan broadband pada koefisien refleksi dan pergeseran merah pada puncak struktural. Lebar puncak struktur berkurang dan memiliki intensitas yang lebih tinggi daripada latar belakangnya, sehingga menghasilkan kemurnian warna yang lebih baik.
Penurunan kontras indeks bias mengurangi peran hamburan ganda, yang dalam satu atau lain cara hadir dalam sistem yang tidak teratur. Ini membatasi warna struktural isotropik ke mode perambatan cahaya antara hamburan difus * dan transfer balistik * .
Hamburan menyebar * - hamburan yang dihasilkan dari setiap penyimpangan struktur material dari struktur kisi yang teratur sempurna.
Transfer balistik * adalah aliran pembawa muatan tanpa hambatan (biasanya elektron) atau partikel pembawa energi pada jarak yang relatif jauh dalam suatu material.Beberapa hamburan menjadi dominan dengan bertambahnya ketebalan sampel, menghasilkan respons tak jenuh pita lebar.
Pengamatan yang sesuai juga dapat diterapkan pada pencar dengan geometri kompleks. Seperti yang dijelaskan oleh para ilmuwan, pekerjaan mereka sebelumnya mempresentasikan gagasan penggunaan partikel inti-cangkang * untuk memisahkan kontribusi faktor bentuk dan faktor struktur dan mencapai puncak terpisah di wilayah spektrum panjang gelombang.
-* — , , .Gambar 3B menunjukkan bahwa memperkecil ukuran pusat hamburan (inti) dengan tetap mempertahankan panjang korelasi struktural akan meningkatkan intensitas dan lebar puncak panjang gelombang (struktural). Pada saat yang sama, kontribusi panjang gelombang pendek dari resonansi Mie bergeser ke arah ultraviolet.
Dalam 3A terlihat bahwa kontras indeks bias yang lebih rendah dapat menekan hamburan berganda, sedangkan kontribusi berupa faktor pemisah dan faktor struktural dimungkinkan melalui partikel inti-kulit ( 3B ).
Kombinasi kedua metode tersebut ditunjukkan dalam 3C . Hal ini memungkinkan nilai kemurnian dan saturasi warna yang lebih tinggi karena puncak yang terpisah dengan baik di bagian gelombang panjang dari spektrum yang terlihat.
Pada tahap penelitian selanjutnya, para ilmuwan memperhatikan penilaian saturasi dan kemurnian warna. Untuk mengukur parameter ini, spektrum reflektansi PG langsung, invers, dan inti kulit diubah menjadi corak warna. Kemurnian warna dapat didefinisikan sebagai jarak yang dinormalisasi dari titik putih pada diagram kromatisitas sehubungan dengan titik merah (dalam kasus warna merah). Saturasi mengukur seberapa besar intensitas cahaya yang dipantulkan tersebar di seluruh spektrum pada panjang gelombang yang berbeda.
Gambar # 4
Pada 4A, berbagai sistem untuk bayangan merah diplot pada diagram ruang warna CIE XYZ. Pada 4B, nilai kemurnian dan saturasi yang sesuai dihitung.
Perlu dicatat bahwa semua PG terbalik menunjukkan kemurnian warna dan nilai saturasi yang lebih tinggi daripada warna merah PG lurus. Namun, masuknya partikel inti-cangkang dalam sistem partikel tidak menghasilkan peningkatan yang signifikan atas PG terbalik standar. Jika Anda menggabungkan kedua pendekatan, Anda bisa mendapatkan tingkat kemurnian dan kejenuhan yang lebih tinggi. Namun demikian, warnanya akan jauh lebih rendah daripada merah asli (yaitu dari model KZS - merah, hijau, biru).
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Dalam penelitian ini, para ilmuwan dapat menunjukkan bahwa kacamata fotonik memiliki keterbatasan internal dalam mencapai rona merah jenuh. Hal ini disebabkan oleh interaksi antara resonansi yang terkait dengan faktor struktur, hamburan yang terkait dengan faktor bentuk, dan latar belakang hamburan ganda. Fondasi seperti ini memudahkan untuk mencapai warna struktural dalam kisaran UV-biru, tetapi tidak pada panjang gelombang yang lebih panjang.
Juga telah dibuktikan bahwa kemurnian dan saturasi warna yang tinggi untuk merah tidak dapat dicapai dalam struktur tatanan jarak pendek isotropik, bahkan dalam kasus morfologi diffuser yang kompleks.
Menurut para ilmuwan, pengamatan semacam itu mungkin menunjukkan bahwa alam dipaksa (secara kiasan) untuk menciptakan cara alternatif membentuk corak merah (misalnya, struktur berlapis-lapis atau berlian).
Menggabungkan beberapa pendekatan untuk menciptakan rona merah struktural dapat meningkatkan kejernihan dan saturasi, tetapi masih belum cukup untuk mencapai warna merah nyata.
Juga ditemukan bahwa karena interaksi yang kompleks antara hamburan tunggal dan ganda, warna kuning dan jingga, selain merah, juga sulit diperoleh dari segi warna struktural.
Penelitian semacam itu memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang warna struktural, serta mengembangkan metode baru untuk membuat bahan yang dapat berfungsi sebagai dasar untuk nuansa yang tidak ditemukan dalam warna struktural alami. Jenis baru struktur nano (misalnya, jaringan atau struktur hierarki multilayer) dapat membantu dalam hal ini, menurut penulis penelitian.
Bagaimanapun, pengerjaan warna struktural akan terus berlanjut di masa depan. Metode modern untuk mempelajari struktur skala nano dan cara rekonstruksinya memungkinkan deskripsi yang lebih rinci tentang proses yang terjadi dalam materi, yang secara alami berkontribusi pada pencapaian kontrol atas proses ini.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggu kerja Anda bagus, guys. :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?