水に1滴の油 この油膜はなぜ虹色なのでしょうか?光の反射と干渉?

水の上の油膜は7色の虹に輝いているのを見たことがありますね。この色はどうやって発現するのでしょうか。わかりやすく解説いたします。楽しんでね!

<h2>●油膜はなぜ虹色?</h2>
水の水面の油膜というのは虹色に見えますが、なぜ油膜は虹色に見えるのですか?
・油が水に浮くと、薄く広がります。
・水と油では性質が少し違う(屈折率が違う)ので、油の表面と水と油の境(油の裏側)の二箇所で、光が反射します。
・表で反射した光と裏で反射した光が干渉して、油の厚さと見る角度に応じて色がついて見えるんです。
・あとは、油の厚さが均一じゃないことと、見る角度が油膜の手前と向こう側で違うので、色が虹色に付いて見えます

<h3>●構造色は、光の波長あるいはそれ以下の微細構造による、分光に由来する発色現象を指す。</h3>身近な構造色にはコンパクトディスクやシャボン玉などが挙げられる。コンパクトディスクやシャボンには、それ自身には色がついていないが、その微細な構造によって光が干渉するため、色づいて見える。構造色の特徴として、見る角度に応じて、様々な色彩が見られることが挙げられる。色素や顔料と云った”色料”による発色と異なり、紫外線などにより脱色することがなく、繊維や自動車の塗装など工業的応用研究が進んでいます。

構造色の仕組み
<h3>●薄膜による干渉</h3>
光の波長程度の薄い膜(薄膜)では、膜の上面で反射する光と下面で反射する光が干渉するため、膜の厚さに対応した波長光が色づいて見える。シャボン玉や油膜に色が付いて見えるのは、このような薄膜干渉に起因している。シャボンや油膜の厚さに応じて、様々に色づいて見える。この時に表面に現れる、分光されて生じた虹色の輪状のものをニュートン環(リング)と呼ぶ。これを利用して、目的の形状を持つ透明母材同士の隙間に、何らかの液体を間に挟む事で、構造体に掛かる、各種応力の影響を、偏光板なしに視覚化する事が、実験的・人工的に行われている。尚、ニュートン環は、透明母材の曲げ等で、内部に生じた歪みや微細亀裂等でも、生ずる事がある。

<h3>●多層膜による干渉</h3>
タマムシ
薄い膜を何層も重ねたような構造による光の干渉である。膜厚の組み合わせ、各層の枚数の組み合わせによって干渉の仕方が変化し、様々な色彩が現れる。
アワビ等の貝殻の内側は、真珠母と呼ばれる炭酸カルシウムの薄膜が層構造を形成しており、1つ1つの層から反射される光が干渉することで、様々な色合いが見られる。

オオゴマダラの蛹
タマムシ、ハナムグリといった甲虫類に見られる金属光沢に富んだ色彩は、キチン質の層構造によるものである。オオゴマダラといったチョウの蛹も同様に金属光沢のある構造色が見られる。
サンマやイワシといった魚類の体色が銀色なのは、体表にある虹色色素胞中でグアニンの板状結晶(反射小板)と細胞質の積層構造による干渉の効果である。可視光線がほぼ完全に反射されることで、体色が銀色に見える。ルリスズメダイやネオンテトラでは、反射小板と細胞質の膜厚比が大きく異なるため、特定の波長領域の光のみが反射され、鮮やかな色彩がみられる。

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<h3>●微細な溝・突起などによる干渉</h3>
モルフォチョウの一種
コンパクトディスク(CD)やDVD等の”光学記憶媒体”ではアルミ薄膜表面に刻まれた凹凸によってデジタル情報を記録している。この凹凸が回折格子の様に光を干渉するため、記録面側は虹色に見える。同様に、蒼鉛(ビスマス)等の金属結晶等でも、この様な発色を呈する、表面構造が微細な凹凸を持つ事から来る、”仮の色彩”で彩る原因となる物質がある。これらの結晶体の表面では、成長中の微細結晶が平面に並ばずに、規則的或いは不規則に並ぶ事に拠り、前述の光学記憶媒体の記憶面と類似の構造を、天然自然にある。
『生きた宝石』とも呼ばれるモルフォチョウの翅は、鮮やかな青色をしているが、これは鱗粉表面に刻まれた格子状の構造による構造色である。この構造は青色の光の波長のちょうど半分にあたる200nm間隔に並んでおり、干渉により青色の光のみが反射される。集束イオンビーム装置を用いて、この構造をシリコン基板上に作り出すことで、モルフォチョウの青色を再現することに成功している。
クジャクやカワセミといった鳥類では、羽毛にある微細な構造によって、鮮やかな色彩が現れる。
透明なプラスチック等に、ある程度以上の負荷を掛け、そこに光を通した場合は、構造体内部に微細な歪みや亀裂を生ずる為に、同じく分光を生じ、虹色の線状の変色をもたらす場合がある。母材にこの様な状態が生じた場合は、その部分に、構造上の脆弱性が生じていて、そのままではその部分が破壊されてしまうので、掛かる負荷を取り除くか、低減する必要がある事が判る。これを利用して、実験室等では、構造解析等で、負荷の可視化に用いたりする事がある。

<h3>●微粒子などによる散乱</h3>
宝石のオパールは、規則的に並んだケイ酸塩の微粒子によって光が干渉し、見る角度によって様々な色彩がみられる。
牛乳が白いのは、脂肪のコロイドが光を散乱するためである。青い空、夕焼けなどの色は、太陽光が大気中の窒素分子や酸素分子によって散乱されるためである。このような、光の波長より小さな粒子による散乱現象はレイリー散乱と呼ばれる。光の波長と同程度の粒子(散乱体)による光の散乱はミー散乱と呼ばれる。雲が白く見えるのはミー散乱によるものである。
温度変化によって分子のねじれが変化する液晶や高分子のマイクロカプセルによる示温材が開発されている。 加熱することにより、色相が変化する。マグカップやフィギュア等に使用されている。

<h3>●産業への応用</h3>
• 繊維素材モルフォテックス
繊維「モルフォテックス」では、屈折率の違なるポリエステルとナイロンからなる数10nmオーダーの多層構造によって光が干渉し、見る角度によって赤・緑・青・黄と様々な色彩が見られる。
• 金属素材トランティクシーチタン
高機能金属であるチタンは、酸素との相性の良さから特有の強固な酸化被膜を有し、貴金属(プラチナ)並みの海水耐蝕性を有する。この酸化被膜は無色透明であり構造色を有するが、ナノオーダーでの被膜膜厚の制御・変化抑制が困難で色が変化してしまうことから、工業的な意匠利用は不可能であった。被膜膜厚の制御・変化抑制を確立し積極的に多彩な色彩を打ち出した。(厚みに応じて赤系・緑系・青系・黄系と様々な色彩が見られる。

<h3>●油が水に浮くとなぜ虹色になるのだろうか</h3>
1. 油の表面で反射した光がやってくる。
2. 次に、油の下の水で反射した光がやってくる。
3. 水で反射した光は、油の層を通過してくるので波長が変わる
4. 波長の異なる、油の光と水の光が、こちらに到達する間に「干渉」というか、位相がズレることで、光が弱くなったり強くなったり、光力にムラができる。
5. 光に強弱がでるので、色にも変化が起きてしまう。
6. 油の層の厚みにより、様々な波長が発生するので虹色になる
これが「油水の虹」の仕組みです。

水たまりに油が一つ粒落ちるだけで、油膜ができていろいろな色がでてきます。不思議ですね。

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