Schillernde Farben mal anders

Pfauenfedern und Schmetterlingsflügel schillern in nahezu allen Farben des Regenbogens. Verantwortlich für diese Farbenvielfalt sind nicht etwa eingelagerte Pigmente, sondern die Brechung des Lichts an winzigen Strukturen. Einen ähnlichen Effekt haben Wissenschaftler nun an farblosen Tropfen auf einer Oberfläche beobachtet, wie sie nun in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten: Abhängig von der Tropfenform und dem Einfallswinkel des Lichts erschien die Fläche in kräftigen Farben von blau über grün bis hin zu gelb. Mögliche Anwendungen des Effekts sieht das Team unter anderem in Sensoren, Farbdisplays oder Wandfarben.

Lauren Zarzar von der Pennsylvania State University in den USA und ihre Kollegen stellten zufällig fest, dass Wassertropfen auf einer Oberfläche unter weißem Licht einen bläulichen Schimmer hervorrufen. „Vermutlich haben auch schon viele andere Menschen diesen Effekt beobachtet“, sagt Zarzar. Als Ursache scheidet die einfache Lichtbrechung an kugelförmigen Tropfen, die etwa einem Regenbogen seine Farbenpracht verleiht, aus. Denn im Unterschied zu sphärischen Wassertröpfchen in der Atmosphäre liegen die Tropfen im Labor je nach Oberflächenspannung als mehr oder weniger flache Halbkugeln vor.

Um dem Effekt auf den Grund zu gehen, analysierten die Forscher um Zarzar die vom einfallenden Licht zurückgelegten Wege. Demnach wird das Licht in den Halbtropfen an der Grenzfläche zur umgebenden Luft vollständig reflektiert. Je nach Einfallswinkel kann diese Totalreflexion für einen einzelnen Lichtstrahl sogar mehrere Male auftreten. Laufen die Lichtwellen danach wieder aus dem Tropfen heraus, überlagern sie sich. Dabei können sich die Wellen je nach Phasenunterschied verstärken oder gegenseitig auslöschen. Durch diese konstruktive oder destruktive Interferenz sieht ein Betrachter unter einem festen Sichtwinkel nur eine bestimmte Farbe an der Grenzfläche der Halbtropfen.

Bunt durch Totalreflexion

Neben Wasser untersuchte das Team auch verschiedene andere transparente und farblose Flüssigkeiten wie Heptan oder Perfluorohexan. Wie erwartet beeinflusste der jeweils unterschiedliche Brechungsindex die Farbgebung. Doch auch die Größe und Form der Tropfen hatten einen Einfluss auf den Effekt. „Indem wir die Oberflächenspannung der mikroskaligen Tropfen ausnutzen, können wir sehr einfach unterschiedliche Farben erzeugen“, sagt Zazar. Für Strukturfarben nach dem Vorbild des Schmetterlingsflügels sind dagegen deutlich kleinere Strukturen nötig. In weiteren Experimenten riefen die Forscher den Farbeffekt auch durch transparente und farblose Kunststoffnoppen auf einer Oberfläche hervor. Auf diese Weise ließen sich die Interferenzfarben dauerhafter auf einer Fläche erzeugen als mit Flüssigkeiten.