رنگ نانوساختاری اُپل ها صدف مروارید
رنگ نانوساختاری اُپل ها، صدف، مروارید
علت رنگی بودن سنگهای اپل و صدفهای آبالون برگشت نور منعکس شده از صفحات کریستالی مجاور هم است که تداخل سازنده ای دارند. این پدیده نوعی پراش یا تفرق با نام “براگ” است که علت اصلی آن ساختار رنگهاست[1].
ساختارهای سنگی و زیستی، شامل نمونههای متعددی از انعکاس دهندههای چند لایهای متناوب هستند. از نمونههای سنگی با این ویژگی، سنگ لابرادوریت (کلسیم، سدیم، آلومینیوم، سیلیکات) است که رنگ را در ساختارهای صفحهای منظم و کنار هم چیده شده و لایههایی با ضخامت 300 نانومتر را ایجاد میکند[1].
نمونه دیگر پوست صدفهاست که شامل لایههای متناوب از مواد آلی و غیرآلی است. درخشش مروارید از تداخل سازنده واحدهای سلولی ساختار چند لایه متناوب کنار هم ایجاد شده است. سه نمونه در شکل 2 نشان داده شده است.
معمولآً یک ساختار چند لایه متناوب در طبیعت دو نوع لایه دارد که یکی ضریب شکست بالاتری از دیگری دارد. تداخل پرتو منعکس شده از سلول های مجاور نیز، ایجاد رنگی میکند که باید در انعکاس نشان داده شود.
ساختار صدف یکی از ساختارهای طبیعی میباشد که کاملا ًمورد بررسی قرار گرفته است. صدف مادهای سخت است و یک ماده رنگی مرواریدگون، لایه درونی آن را در پوسته نرم تن پوشانده است. میکروساختار صفحهای در صدف طبیعی از صفحات شش وجهی آراگونیت تشکیل شده است که حدود 5 میکرومتر عرض و 0.5 میکرومتر ضخامت دارد و درون ماتریسی آلی از کنکیولین لفافه شدهاند. آراگونیت شکل کریستالی کربنات کلسیم است. کنکیولین مادهای طبیعی است که پایه آن پلی ساخاریدها و فیبرهای پروتئینی می باشد[1].
مروارید ساختاری پیازی شکل دارد که از لایههای متوالی کنکیولین و آراگونیت تشکیل شده است. هر دو ماده شفافند و به نور اجازه میدهند در تعداد زیادی از سلولهای واحد نفوذ کند و بر اثر تداخل سازنده، نور به خوبی منعکس شود. تداخل سازنده میزان ظرافت در درخشندگی مروارید را تعیین میکند. این میزان به تعداد سلولهای واحد ارتباط دارد که در انعکاس دخالت دارند. شفافیت و نازکی لایههای درون مروارید نیز در این امر موثر هستند. درخششی مانند مروارید از یک اثر با مقیاس بزرگ نیز نشات میگیرد که در ارتباط با عمق نفوذ نور در حجم میباشد. درخشش، آن را از درخشندگی سطحی برخی سنگهای یاقوت کبود متمایز میکند. بسیاری از مرواریدها و پوستههای حلزونی در کنار درخشش، اثر رنگی نیز دارند که میتواند با یک اثر پراش نوری از لبه های لایههای متوالی که شبیه به سفال های یک شیروانی روی هم افتادهاند، توجیه شود [1].
در پدیده براگ اگر نور سفید به طور مایل به ساختار منظم کریستالی برخورد کند ( این ساختار را میتوان با دستهای از صفحات موازی مجزا و واحد که فاصله هر یک با دیگری d میباشد، نشان داد) و موج تابشی با زاویه q نسبت به این صفحهها وارد شود، در این صورت طول موج نور از رابطه1 به دست میآید.
برای یک اُپل هگزاگونال D=160nm که در آن d=130.6nm میشود، با neff 1.54 که مقدار معمول ضریب شکست موثر سیلیکا است، مشاهده میشود که رنگ آبی طول موج حدود 402 نانومتر میتواند به شکل متمایزی از طیف مرئی متفرق شود. افزایش مقدار D به 275 نانومتر باعث میشود که رنگ قرمز با طول موج 692 نانومتر به شکل برجستهای از طیف مرئی تفکیک شود. اگر کرههای سیلیکایی در اپل خیلی بزرگ باشند (D>350 nm) بازی رنگها دیگر دیده نمیشود، چون بازگشت امواج با طول موجهای محدوده فروسرخ اتفاق میافتد. با این حال چرخاندن اپل برای کاهش زاویه q ممکن است به پدیده براگ در طول موجهای کوتاه تر شیفت کند و بازی رنگها مجدداً با رنگ قرمز ظاهر شود[1].
اُپلهای قیمتی در طبیعت نادر هستند، اما معمولی آن زیادند. اپلهای معمولی، ساختار منظم سنگهای اُپل قیمتی را ندارند و از این رو نور مرئی را متفرق نمیکنند. یک نمونه اپل معمولی، اپل آتشین است، یک سنگ نارنجی شفاف، که رگههای رنگی آن به خاطر مقادیر محدود اکسید آهن است. در مراتب اولیه ساختاری اپلهای معمولی از تجمع تصادفی نانودانه های سیلیکا با قطرهای موثر متفاوت که به طور میانگین 25 نانومتر قطر دارند، ساخته شدهاند. بنابراین دلیل اولیه ضعف بازی رنگها در سنگهای اپل کروی نبودن شکل و تنوع چندگانه در اندازه نانودانههای درون آن است[1].
فاکتور مهم برای مکانیزمهای رنگی با صفحات چند لایه از کرههای کوچک، قطر ذره میباشد. محلول غلیظ ذرات لاتکس با قطر حدود 150 تا 500 نانومتر در بررسیها مورد استفاده قرار گرفته است. کرههای لاتکس برای شبیهسازی اپل با قطر کوچکتر از طول موج مرئی در دسته های دو بعدی خودآرایی شدهاند. لایهها خود از یک یا چند لایه تشکیل شدهاند. وقتی به این لایه ها نور سفید تابیده میشود، دسته نانوکرهها رنگهای پرشدت و یکنواختی را ایجاد میکنند. این رنگها از تداخل سازندهی تنها چند لایه ایجاد شدهاند[1].
شدت رنگها، زمانی بیشتر میگردد که از یک زیرلایه شیشهای با پوشش طلا استفاده میشود. هر رنگ با ضخامت خاصی مطابقت دارد. اگر نور تک رنگ به جای نور سفید استفاده شود، نوارهای هم رنگی با شدتهای مختلف ظاهر میشوند. با تغییر طول موج نور تک رنگ تغییراتی در شدت نوارها مشاهده میشود. در مثالی که در شکل 5 نشان داده شده است، نوار زرد رنگ با یک چهارلایه چهاروجهی تولید شده و میتوان آن را بین قسمت سبز با سه لایه شش وجهی و نوار چهار لایه قرمز با ساختار شش وجهی مشاهده کرد. با تغییر هندسهی فشردگی در یک آرایه، میتوان رنگ را تغییر داد [1].
تعداد لایهها | ضخامت لایه (نانومتر) | رنگ در نور منعکس شده | تعداد لایهها | ضخامت (نانومتر) | رنگ در نور منعکس شده |
1 | 47 | سرخ | 7 | 277 | قرمز |
2 | 85 | قهوهای | 8 | 316 | آبی ارغوانی |
3 | 124 | آبی نیرودریایی | 9 | 354 | سبز |
4 | 162 | آبی آسمانی | 10 | 392 | زرد-سبز |
5 | 201 | زرد | 11 | 431 | نارنجی |
6 | 239 | نارنجی | 12 | 469 | قرمز |
کریستال دو بعدی خشک میکروکرههای لاتکس از نظر زیست محیطی پایدار است و رنگهایی را ایجاد میکند که سالها ماندگار می مانند. در تکنیکهای چینش هدایت شده، یک زیرلایه شیشهای با یک زاویه و سرعت مناسب از داخل یک محلول آبی با کرههای همگن پلی استایرن بیرون کشیده میشود تا به ذرات اجازه دهد که روی یک شبکه دوبعدی منظم در سطح خودآرایی شوند. این تکنیک در محدوده وسیعی از ابعاد ذرات (از قطر حدود 100 نانومتر تا چندین میکرومتر) قابل استفاده است. هر ابعادی از ذرات سطح طرح دار متفاوتی را ایجاد میکند. در ادامه تکرار این کار با مواد مشابه آورده شده است.
وقتی یک رنگ که پولکهای میکای پوشش داده شده با دی اکسید تیتانیوم دارد، روی یک زمینه سفید اعمال میشود. تنها یک درخشش مرواریدگون قابل مشاهده است، به آن علت است که بخشی از نور که از ریز صفحات رد شده و به زمینه سفید رسیده است، منعکس میشود و هم راستا با نور بازتابیده شده به سمت منبع باز میگردد.
رنگ تداخلی | ضخامت تقریبی(nm) | |
زرد (طلایی) | 75 | |
قرمز (آهنربایی) | 90 | |
آبی | 120 | |
سبز | 145 | |
زرد (طلایی) | 160 | |
قرمز (آهنربایی) | 185 | |
آبی | 210 | |
سبز | 245 |