如何从透明中变出五彩斑斓？你只需要一杯热水，再加上这样道具……

当潮湿温暖的空气遇到凉凉的眼镜片、镜子或者其他类似的表面，冷凝的小水滴总是会在上面蒙上一层“薄雾”。

这层雾看起来是什么颜色？你可能会说，当然是白色啦！毕竟它都是由无色透明的小水珠组成的嘛。

但是，事情没有这么简单。在特定的情况下，原本无色的小水珠其实能形成一层五彩斑斓的雾！

这个真的是水。原视频来源：参考文献1

而且这还不是最厉害的。真正最厉害的是——这层五彩斑斓的水雾发在了《自然》上，而且还登上了2月28日的期刊封面：

封面图片：Sara Nagelberg

彩色的水雾到底是怎么回事？下面我就来详细讲讲。

想要观察到和Nature封面研究同款的彩色水雾，首先需要准备一个聚苯乙烯材质的透明塑料培养皿。只要有了这样道具，剩下的事情其实都很简单：只要在培养皿里倒上一些热水，盖上盖子，并用一束白光把它照亮即可。

下面是我自己测试的结果。实验中用的是准直LED光源，我这里没有专门的光源，只是靠房间顶上的日光灯。虽然效果没有那么好，但色彩确实看得很清楚了：

毫无PS的作者手抖自摄……动图经过加速，实际时间十秒左右

从实际观察来看，从盖上盖子起水雾色彩的分布一直都在变化，这些色彩肉眼明显可见的时间并不会维持很久。

而如果在显微镜下观察这些彩色水雾，会发现这些微米级的小水滴边缘都有一个明亮的“彩色光圈”。不同大小的液滴“光圈”颜色各不相同。

在显微镜下看，每个小水滴的边缘都顶着一个彩色的光圈。我知道这个图很像画的，但确实不是_(:з」∠)_图片来自原论文，大图的下方的比例尺是200μm，小图的比例尺是1cm。

首先需要说明：这不是一道迷你版的彩虹，也不是一个个超小号肥皂泡。水雾上的色彩形成原因和颜色的分布规律都与这两种常见现象不同。

研究者发现，彩色水雾其实是两种光学现象共同作用的结果：一个是全反射，一个是干涉。

当光线从折射率大介质入射，并且角度超过一个临界值时就会发生全反射。

动图来源：QuantumBoffin

而当光线从上方入射时，它就很容易沿着培养皿下壁的液滴边缘发生全反射（如下图）。光线可能会从不同的路径发生全反射，这些路径的长度不同，因此光线最终出射时就产生了相位差。具有相位差的光线彼此发生干涉，就能让白光变成不同的色彩。

全反射与干涉的共同作用让微米级小液滴产生色彩。截图来源：MIT

这个效应取决于液滴的折射率，同时也非常依赖液滴的大小和形状。一定要选择塑料而不是玻璃的培养皿，就是为了让挂壁的水滴形成合适的形状。

这种小液滴的虹彩现象最初是艾米·古德林（Amy Goodling）和劳伦·扎扎尔（Lauren Zarzar）两个人发现的。当时他们在研究一些培养皿上的透明小液滴（不过并不是水），研究中突然发现液滴看起来格外地蓝，这激起了他们的研究兴趣。

除了满足好奇心，这项研究也为人们提供了一种制造结构色的新思路。虽然培养皿盖子上的小液滴没法保持稳定，但把液滴换成聚合物小颗粒也可以实现同样的效果。而且研究者们也为这种现象建立了模型，可以预测不同条件下的颜色规律。

然而，这种虹彩现象的效果非常取决于光源和观察角度，这一点会限制它的应用前景。

转一转角度，液滴的虹彩看起来就完全不一样了。这里展示的不是水滴，不过原理类似。原视频来自参考文献1

不过，能在家里拥有一个Nature封面同款我还是非常开心的……

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

http://news.mit.edu/2019/water-droplets-structural-color-0227

作者：窗敲雨

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