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Des scientifiques ont trouvé par hasard une nouvelle façon de créer un arc-en-ciel


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David Wirzba/Unsplash

Les arcs-en-ciel fascinent les gens de tout âge. Ce mystérieux phénomène optique se produit à l’aide de gouttes d’eau et de la lumière du soleil. On peut l’admirer en particulier quand le soleil est bas sur l’horizon et que les nuages ou la pluie font leur apparition. En plus, il est possible d’observer un arc-en-ciel sur des cascades, voire même à travers l’eau vaporisée par un spray.

Tous ces mécanismes ont comme point commun de l’eau suspendue dans l’air additionnée à la lumière blanche du soleil, mais un nouveau moyen de formation d’arcs-en-ciel vient d’être décrit.

Couleur structurelle

Des chercheurs du MIT et de la Penn State University ont découvert une toute nouvelle méthode de création d’arcs-en-ciel. En effet, si les conditions sont réunies, des gouttelettes d’eau sur un plan transparent peuvent se transformer en un spectre de couleurs brillantes, et ce, sans avoir recours à un colorant ou à une encre.

D’après un article paru dans la revue Nature, cette méthode est basée sur un phénomène appelé « couleur structurelle ». C’est l’idée selon laquelle un objet peut refléter des couleurs uniquement en fonction de l’incidence et de la réaction de la lumière à sa structure géométrique. Hémisphérique dans cette expérience.

À l’instar de l’invention de la radiographie, cette découverte est le fruit d’un heureux hasard. Amy Goodling et Lauren Zarzar, chercheuses de la Penn State University, travaillaient sur des émulsions de gouttelettes à base d’huiles de densités différentes lorsqu’elles ont remarqué qu’elles viraient vers le bleu. Suite à cela, elles ont contacté Mathias Kolle, Professeur adjoint en génie mécanique au MIT.

De prime abord, ce dernier a suspecté la réfraction qui est le processus physique responsable des arcs-en-ciel et la raison qui explique pourquoi les piscines paraissent moins profondes qu’elles ne le sont en réalité.

En passant d’un milieu à un autre, les rayons changent de direction, ceci a pour conséquence une réfraction de la lumière. L’arc-en-ciel se produit quand certains milieux dévient des couleurs différentes en quantités différentes. Mais quelque chose avait retenu son attention…

Un processus connu par beaucoup de gens

Les gouttelettes représentaient des hémisphères sur une surface plane, la lumière devrait donc réagir différemment.

Ce qu’on obtient est une réflexion totale interne. Cette dernière est basée sur le même processus à l’origine de la fibre optique. Le Professeur Kolle décrit la façon dont la lumière subit une réflexion et se disperse lorsqu’elle frappe à un angle élevé une interface qui sépare un milieu à indice de réfraction élevé (ce qui est le cas de l’eau) d’un milieu à indice de réfraction bas (comme l’air). Les faisceaux lumineux sont ainsi piégés dans ce milieu et ne peuvent plus passer.

Quand la lumière entre dans une gouttelette hémisphérique, elle est réfléchie par la réflexion totale interne sur toute la longueur de l’interface concave. La couleur est par la suite déterminée par la façon dont les rayons lumineux se mélangent en quittant la gouttelette.

Même si c’est la première fois que cette méthode est officiellement décrite, Lauren Zarzar affirme que ce processus est largement reconnu. « Des gens sont venus me dire qu’ils savaient exactement de quoi on parlait et qu’ils l’ont vu eux aussi ! », conclut-elle.

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Mathias Kolle, Lauren D. Zarzar & all., Nature