Predikce barvy materiálů na základě ab initio absorpčních spekter

Natália KABÁČOVÁ

Bachelor's thesis

Prediction of material colors based on ab Initio absorption spectra

Abstract:

This thesis examines the computational methods used to predict the absorption spectra of various materials, highlighting the role of quantum mechanical principles and the ways these approaches help explain electronic transitions. The aim of this work is to create a step-by-step guide, including modelling, optimalization and a computational code, that would predict the colour of the material, and therefore to examine the factors that influence that colour. The dataset consists primarily of theoretical studies, calculation outputs, and comparisons with experimental results. The study concludes that quantum mechanical calculations provide physically accurate and consistent absorption spectra. The conversion of these spectra into perceived colour is, however, influenced by the way reflectance is estimated, as it assumes normal light incidence from vacuum and neglects real-world factors such as surface roughness or material imperfections. These simplifications lead to colour predictions that are different from human observations of macroscopic materials. Additionally, special attention must be put into interpreting results for two-dimensional materials. Since the calculations in this thesis assume a finite thickness, both the reflectance and the predicted colour of these materials are overestimated. Despite these limitations, the developed methodology for converting spectra into sRGB colour has proven to be robust and adaptable. It offers valuable insights into the optical behaviour of materials and lays a strong foundation for future improvements.

Abstract:

Tato práce se zabývá výpočetními metodami určenými k predikci absorpčních spekter různých materiálů a zdůrazňuje význam kvantově-mechanických principů, které pomáhají vysvětlit elektronové přechody. Cílem této práce je vytvořit podrobný postup, včetně modelování, optimalizace a výpočetního kódu, který by předpovídal barvu materiálu, a zároveň zkoumat faktory, jež tuto barvu ovlivňují. Hlavním zdrojem dat jsou teoretické studie, výsledky výpočtů a jejich porovnání s experimentálními hodnotami. Práce dochází k závěru, že kvantově-mechanické výpočty poskytují fyzikálně přesná a konzistentní absorpční spektra. Převod těchto spekter na vnímanou barvu je však ovlivněn způsobem, jakým je odrazivost (reflektance) odvozována - předpokládá kolmý dopad světla z vakua a nezohledňuje reálné faktory, jako je drsnost povrchu či přítomnost defektů. Tato zjednodušení vedou k predikcím barev, které se liší od toho, jak barvy materiálů pozoruje lidské oko ve formě makroskopických objektů. Zvláštní pozornost je rovněž třeba věnovat interpretaci výsledků u dvourozměrných materiálů. Teoreticky by dokonale tenké 2D struktury měly propouštět téměř veškeré dopadající světlo a odrážet jen velmi málo. Jelikož však výpočty v této práci počítají s konečnou tloušťkou, jsou odrazivost i predikovaná barva těchto materiálů nadhodnoceny . Přes tato omezení se vyvinutá metodika převodu spekter do sRGB barev osvědčila jako spolehlivá a flexibilní. Poskytuje cenný vhled do optického chování materiálů a vytváří pevný základ pro další rozvoj.

Keywords

Teorie elektronové struktury, reflektanční spektra, předpověď barvy, modelování materiálů?

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 4. 2025

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Miroslav Kolos, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Physics / Physics - French Philology with Focus on Education