Uno de los interferómetros más sencillos del mundo: nanotecnología de salón

Autores:

o José Benito Vázquez Dorrío. Departamento de Física Aplicada. Universidad de Vigo
    • En lugar de observar los colores en una pompa de jabón, que persiste típicamente pocos segundos, se forma una película delgada vertical de agua-jabón con un recipiente cotidiano que puede estar “viviendo”  varios minutos observando claramente el fenómeno de interferencia con luz blanca.
    • Para ello en un plato se echa una cantidad de líquido para hacer pompas de jabón de un 1-2 cm de altura. Se moja el recipiente de interior oscuro formándose una fina capa delgada de agua jabón. Se sitúa el recipiente con la película en vertical sobre una mesa y se observa la evolución con el tiempo de la película delgada.
    • La película delgada de agua-jabón actúa como una ventana que cuando sobre ella incide luz parte se refleja en su primera cara con un salto de fase y parte se transmite al agua y se refleja en la segunda cara. Nuestro ojo observa dos ondas luminosas que se superponen dando lugar a interferencias constructivas y destructivas.
    • Se forman líneas horizontales de color, esencialmente CMY, que se repiten periódicamente y que se desplazan y agrupan hacía la parte inferior del recipiente según pasa el tiempo. En la parte superior se forma una fina capa transparente, que va creciendo, denominada de Película Negra de Newton de espesor nanométrico, en donde la luz reflejada y transmitida-reflejada interfieren destructivamente.
    • Las líneas de color CMY se relacionan directamente con el espesor de la película delgada puesto que cuando el espesor de la película es 250nm, 200nm o 150 nm (o múltiplos enteros de estas cantidades) se observa respectivamente una línea de color CMY debido a que se eliminan, por interferencia destructiva, las longitudes de onda del RGB.
    • Cuando se elimina un color primario RGB el proceso de visión, que se lleva a cabo en combinación de la información que detectan nuestros conos, esencialmente RGB, y nuestro cerebro, determina el color complementario correspondiente CMY.
    • Podemos apreciar esto, por ejemplo, con la iluminación de tres bombillas LED regulables con cambio de color. La iluminación RGB en conjunto es blanca. Si un objeto se interpone entre los focos, las sombras serán CMY cuando se elimina, en este caso por bloqueo, alguno de los colores RGB.
    • Un efecto similar se observa si utilizamos discos giratorios coloreados. El bien conocido Disco de Newton parece blanco al girar con suficiente velocidad. Si hacemos girar suficientemente rápido Discos de Maxwell eliminando un color primario GB, RB o RG el resultado observado es el complementario del color eliminado CMY.
    • La película delgada vertical constituye un simple interferómetro puede utilizarse en cualquier aula de secundaria/bachillerato/universidad y sirve para ilustrar el fundamento de los interferómetros que se emplean para medir /detectar con precisión nanométrica de innumerables  magnitudes a medir de origen físico, químico, biológico, …
    • Una vez formada la película delgada puede analizarse la evolución del espesor por efecto de la gravedad o puede verse el efecto de una fuente de calor (una vela situada en la mesa) o de frío (un trozo de hielo situado en su parte superior),  observando las corrientes de convección que se forman. Puede verse también el efecto sobre la película delgada de perturbaciones de presión, magnéticas, eléctricas, …
    • Así mismo al iluminarse la película delgada con una de las bombillas LED regulables con cambio de color  en modo R, G o B puede observarse la periodicidad cambiante de las franjas. Algunas de estas bombillas LED regulables  permiten la iluminación con más de 100 colores para elegir.

¿Qué se pretende demostrar?

    • Este experimento pretende justificar la existencia predominante de los colores secundarios de la síntesis aditiva de colores  (cian-magenta-amarillo, CMY) en una pompa de jabón, como ejemplo del fenómeno de interferencia con luz blanca y del proceso de visión humana con detección esencialmente tricolor (rojo-verde-azul RGB). La relación RGB vs CMY se ilustra experimentalmente con discos giratorios de Maxwell y con bombillas LED regulables con cambio de color. Efectos de escala nanométrica se visualizan fácilmente sobre una película delgada de agua-jabón en disposición vertical.

Dirigido a:

  • Gran Público
  • Primaria
  • Secundaria
  • Universidad

Materiales necesarios:

    • Discos de Newton y de Maxwell impresos en papel, cartulina o cartón pluma. Para hacerlos girar suficientemente rápido pueden utilizarse unidos sobre: ventiladores de ordenador (con conexión usb o con enchufe Schuko), CDs con una canica pegada en su centro a modo de peonza, motores de juguete, soportes de manivela, soportes de tarrina de CDs que se hacen girar en un dedo o con una canica, …
    • Tres bombillas LED regulables con cambio de color  con sus correspondientes focos soporte para emitir en RGB, o en cualquier otra combinación permitida de colores por el mando a distancia que los acompaña.
    • Plato; líquido para hacer pompas de jabón; taza oscura, trozo de tubería, caldero negro, vaso de plástico negro, o cualquier recipiente de interior oscuro que podamos mojar sobre el plato.

Riesgos:

    • En edades tempranas se requiere supervisión de un adulto pues el líquido no debe ser ingerido o pueden emplearse dispositivos (lámparas, ventiladores) conectados a la red.

Enlaces:

Para saber más:

    • Buscar en Google u otro buscador: “Thin film interference”; “Newton black film” ; “Additive color mixing”; “Iridiscence in nature”; “James Clerk Maxwell” color disc; Interferometer; Interference.

Observaciones:

    • La interferometría de luz blanca se pone de manifiesto en  innumerables circunstancias en la vida cotidiana, esencialmente cuando una delgada película se ilumina con luz visible, en ese caso se observan líneas CMY que dan información esencialmente del espesor de la película: de aceite sobre asfalto, de bacterias sobre agua encharcada,  de proteínas en el fondo de una pota de acero, de jabón en la superficie de una plancha, del revestimiento de descongelación  en una ventana de cabina de avión, …
    • Una versión económica de la subactividad de  sombras de color consiste en emplear las linternas de tres móviles situando un trocito de papel celofán en sus lámparas para obtener la iluminación RGB.
    • Por supuesto, la iluminación RGB resulta espectacular en una sala o habitación oscurecible. Combinado dos colores primarios (GB, RB o RG) ésta aparece iluminada con el complementario CMY. En ese caso las sombras de color pueden realizarse con una persona como obstáculo un efecto espectacular de cómo funciona el proceso de visión y la relación entre colores primarios-secundarios.
    • La detección tricolor RGB de nuestro sistema de visión justifica el sistemas de proyección artificial RGB que pueden observarse en cualquier pantalla de TV, PC, Tablet o móvil con una potente lupa o incluso con una cámara en modo macro sobre estos dispositivos.
    • Podemos experimentar la detección tricolor RGB con el juguete denominado la bola misteriosa. En una habitación oscura reposo la bola da sensación de color blanco, en movimiento rápido se forman separadas imágenes RGB en nuestra retina. En movimiento lento observamos también en la zona de intersección los colores CMY. Una cámara registra lo mismo.
    • Podemos experimentar la relación RGB-CMY si en una transparencia en PowerPoint de fondo blanco colocamos un cuadrado central de color R, G o B. En una habitación oscura proyectamos esa figura o la miramos directamente en la pantalla de ordenador. Si pasados 20 segundos ponemos una transparencia con fondo blanco, percibiremos durante unos segundos un cuadrado de color C, M o Y respectivamente. Puede utilizarse otros colores además de los primarios.
    • Los contenidos de la actividad pueden relacionarse con la Historia de la Ciencia y Tecnología relacionados con la Teoría del Color, la Teoría Electromagnética o la Interferencia Luminosa : Maxwell, Newton, Goethe, Fizeau, Michelson, … y con los recientes experimentos llevados a cabo en el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) que supuso la concesión  a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne del Nobel de Física 2017.
    • Pueden relacionarse/compararse la síntesis aditiva de colores (superposición de luces) y la síntesis sustractiva (superposición de tintes).

Galería de imágenes:

Colores Primarios Y Secundarios

Discos De Maxwell Y Newton

Secuencia Pelicula Delgada

Sombras Cmy Con Iluminación Rgb