История науки: человек-рассеяние

От софитов до софизмов, от радужки до радуги — оптические эффекты окружают нас повсюду. Один из них — эффект Тиндаля, открытый физиком, умершим 4 декабря 1893 года.

Джон Тиндаль — геодезист, сотрудник Фарадея, директор Королевского института в Лондоне, гляциолог и оптик, акустик и специалист по магнетизму (о биографии физика можно больше узнать из его писем). Его фамилия дала название кратеру на Луне, леднику в Чили и интересному оптическому эффекту.

Эффект Тиндаля заключается в рассеивании света на взвешенных частицах, от синеющего света фонарика в мутных коллоидных растворах до сияния опалов. Когда свет попадает на частицы, взвешенные в воздухе, они тоже могут рассеивать свет по этому механизму, именно поэтому дым лесных пожаров кажется нам синим. Рассеяние Тиндаля работает на частицах, размер которых меньше или сопоставим с длиной световой волны (от 40 до 900 нанометров, тогда как длины волн видимого нами диапазона от 450 до 750 нанометров). Для более мелких частиц, например групп молекул газа в атмосфере, работает несколько другой механизм — рэлеевское рассеяние, которое отвечает за голубой цвет неба.

Поскольку самую короткую длину из видимого спектра имеют волны цветов синей гаммы, именно эти волны отражаются от частиц при эффекте Тиндаля, а более длинные красные рассеиваются хуже. Когда частицы становятся больше, они могут влиять на рассеяние света любой длины волны, и «расщепленная» радуга складывается обратно, получая полностью белый свет. Поэтому капельки и кристаллики снега в облаках имеют белый цвет, хотя все мы знаем, что вода и лед сами по себе прозрачные.

С эффектом Тиндаля прочно связано образование так называемого структурного цвета. Есть интересный софизм (логичное, но абсурдное утверждение), попытка доказать, что листья на деревьях синие. Солнце какое? Желтое. Зеленый получается, если смешать желтый и синий. Значит, листья на деревьях синие. Структурный цвет работает похожим образом.

Само название «структурный» подразумевает, что в данном случае дело не в пигменте, который просто окрашивает предмет (как раньше представляли возникновение любого цвета), а в наноузорах на его поверхности: микроскопических бороздках, решетках, порах, выступах. Размер этих структур сопоставим с длиной световой волны, поэтому лучи преломляются и рассеиваются специфическим образом, что и дает нам получаемый цвет.

Этот тип окраски широко распространен среди рыб, птиц, насекомых, ракообразных и других групп животных и давно привлекает внимание ученых. Так, еще Роберт Гук в своей «Микрографии» предположил, что окраска тонких слоев вещества может быть вызвана отражением света от верхней и нижней границ слоя (что фактически было первым упоминанием интерференции). Правильное объяснение этого механизма даст позднее, в 1917 году, сэр Рэлей. Самые изученные организмы с такой окраской — бабочки семейства Morplro, чешуйки крыльев которых позволяют им переливаться множеством цветов.

Но есть и другие, более сложные и красивые примеры такой окраски, подходящие под определение эффекта Тиндаля, который особенно хорошо виден на мутных растворах и во взвешенных частицах. Один из таких примеров — веслоногие рачки сапфириниды (о других красивых и замечательных рачках, ветвистоусых, можно прочитать в этой статье). Свое «драгоценное» название они получили за способность красиво переливаться, а иногда даже «прятаться» в ультрафиолетовом спектре и исчезать из виду. Эту суперспособность придают им клетки-иридофоры. В этих клетках красивыми ровными стопками идеальных шестигранников уложены кристаллы гуанина, между которыми есть прослойки цитоплазмы. Толщина этих прослоек может варьироваться, меняя толщину всего отражающего слоя в 5 раз, поэтому под разным углом освещения самцы сапфиринид способны во мгновение ока превращаться из рыцаря в сияющих хитиновых доспехах в рачка-невидимку. Однако сами они зачастую слепы или видят плохо и не могут оценить свое сияние во всем его великолепии: весь этот маскарад предназначен для привлечения самок и отпугивания хищников.

Непереливающийся голубой цвет в животном царстве тоже часто вызывает эффект Тиндаля, потому что голубого и непереливающегося пигмента там практически не встречается. Так, замысловатые комбинации слоев клеток используют многие земноводные, у которых иридофоры покрыты слоем клеток, содержащих желтые пигменты. У синих лягушек или синих перьев попугаев верхний слой клеток прозрачный, а нижний также часто состоит из иридофоров. У некоторых стрекоз голубой цвет обусловлен клетками с меланином, сверху которых находится слой прозрачных клеток.

Но ближе всего к нам другое проявление эффекта Тиндаля — голубые глаза. Возможно, вы думаете, что глаза у людей голубые потому, что радужная оболочка содержит голубой пигмент. Но его там нет, зато в малых количествах присутствует меланин, тот самый, что отвечает за цвет нашей кожи и волос. В нем нет и намека на голубой оттенок, однако нам он кажется таким. Это происходит как раз из-за тиндалевского рассеивания: более длинные волны красной части диапазона проходят сквозь сетчатку, а более короткие синие отражаются от редких молекул меланина и коллагеновых волокон стромы, рассеиваются и отражаются обратно в атмосферу (так называемое обратное рассеивание), и мы видим глаза голубыми. У альбиносов, которые совершенно лишены меланина, глаза имеют красный оттенок, так как радужная оболочка практически прозрачна и за ней просвечивает сетчатка.

Сейчас структурный цвет учатся применять и люди: специальные технологии прядения или выдавливания синтетического волокна позволяют получать материалы с наноструктурированной поверхностью, как, например, ткань под названием «shingosen» из Японии, что буквально переводится как «новое синтетическое волокно», но в то же время созвучно названию сборника средневековой японской поэзии, и другие.