Teoria culorii in revista Chimia

video - teoria culorii, ghidul începătorului

CULOARE - COLORANTI - CIVILIZATIE

Culoarea este o proprietate a materialelor, reprezentând o parte constitutivã a experientei umane în evolutia civilizatiei.

Fenomenele cromatice naturale, determinate de reflexia, refractia si dispersia luminii (curcubeul, rãsãritul si apusul soarelui etc.) au influentat pregnant existenþa omului, generând credinte, legende si dorinta de cunoastere.



Strãlucirea mineralelor si gemelor colorate, policromia lumii vegetale si animale au fascinat omul, i-au generat setea de frumos, l-au investit cu capacitatea de a crea valori artistice si materiale, utilizând culoarea ca mijloc de exprimare. Materiale naturale albe (cretã, marnã, var), negre (cãrbune) sau galbene, oranj, rosii (ocru) amestecate cu lianti (cleiuri, rãsini, ceruri, uleiuri, grãsimi), utilizate de maestri anonimi ai artei rupestre, au produs imagini impresionante în pesterile de la Altamira, Lascaux sau Tassili.

Mãrturii despre culori si materiale colorate se gãsesc în tãblitele de lut ale asirienilor, papirusurile egiptene, scrierile lui Herodot, Dioscoride si Plinius cel Bãtrân.

Mãrturii nu mai putin convingãtoare pentru fascinatia culorii oferã ceramica, ornamentatia templelor, bisericilor si palatelor, mozaicurile etc.

În sculpturã, vitralii, tapiterii, gravuri si miniaturi, în heraldicã, manifestãrile ludice si mass-media, simbolurile de imagine si culoare sunt frecvente si inevitabile.

Lumea modernã este inseparabilã de culoare, care este prezentã în detaliile existentei cotidiene, de la obiectele deliberat colorate la arhitectura agrementatã prin repere cromatice, de la ambianta parcurilor si strãzilor la interioarele de lucru, în care tablourile aduc o razã de luminã în suflete.

Sensibilitatea la culoare, discretia, rafinamentul si fantezia în utilizarea culorii influenteazã echilibrul biologic si psihic. Culoarea este studiatã, interpretatã si valorificatã, influentând savanti, filosofi, poeti sau artisti.

Perceptia cromaticã, natura culorii si a luminii au conferit mai multe premii Nobel, în timp ce Goethe afirma cã "tot ceea ce este viu aspirã la culoare".

Societatea modernã organizeazã institute pentru cercetarea si utilizarea culorii, valorificând contrastele si combinatiile cromatice pentru amenajarea interioarelor, vestimentatie, publicitate, industrie, comert, transporturi si circulatie, artã si arhitecturã, sãnãtate, diagnostic psihic si caracterizare comportamentalã, pentru fotografii, afise, expozitii, cinematograf, televiziune, pentru dezvoltarea inteligentei, creativitãtii, fanteziei si imaginatiei.

Utilizatã cu discernãmânt, culoarea asigurã augmentarea randamentului fizic si intelectual, diminuarea oboselii, deconectare nervoasã, creeazã o stare de confort fizic si psihic, bunã dispozitie, satisfactie si înviorare, conferã functii de cunoastere, avertizare si semnalizare, sporeste performantele memoriei si capacitãtii de învãtare, ne face mai buni, mai echilibrati si mai generosi.

Sub aspect istoric, utilizarea culorii s-a consituit ca artã, care a evoluat lent, generând un grup coerent de cunostinte. Astfel, în antichitate, grecii au elaborat tratate de armonia si perspectiva culorii.

Secolul al XVII-lea marcheazã debutul interpretãrii culorii ca fenomen fizic, pe baza teoriei formulate de Newton.

În prezent, stiinta culorii are conexiuni cu arta, biologia, fizica, chimia, psihologia, geologia, mineralogia s.a., probând o certã interdisciplinaritate.

Culoarea asigurã cea mai fireascã interferentã între stiintã, industrie si artã.

Pânã la finele secolului al XIX-lea au fost utilizati doar coloranþi naturali.

Industria colorantilor sintetici a debutat în 1856, când Perkin a descoperit Mauveina. În aceeasi perioadã, chimia modernã s-a structurat ca stiintã. Astfel, Chimia colorantilor devine o ramurã a Chimiei organice în perioada formulãrii primelor teorii stiintifice.

Cronologic, industria chimicã a debutat cu producerea de coloranti. Fabricarea substantelor colorante aduce profituri, chiar si în perioadele de recesiune economicã, deoarece valoarea produsului vopsit creste de 10-20 ori în raport cu a celui nevopsit. De ce apar obiectele colorate?

Dacã se examineazã suprafata unui obiect, atentia este atrasã de culoare, texturã, grad de transparentã etc. O astfel de descriere se bazeazã pe modul în care ochiul percepe lumina, care interactioneazã cu suprafata, stabilindu-se o conexiune între luminã si obiect.

În artã si în activitatea muzeisticã se acordã atentie punerii în luminã a unei lucrãri si producerii emotiei artistice prin stimulare vizualã, prin manevrarea luminii pe suprafata sau interiorul unui obiect.

 

ORIGINEA CULORII

 

Culoarea este o proprietate a obiectelor, natura, artistii si tehnicienii producând-o în moduri diferite.

Originea culorii este intrinsec legatã de natura luminii. Lumina solarã este o formã de energie, determinatã de câmpurile oscilatorii electric si magnetic ale radiatiei electromagnetice. Domeniul vizibil al spectrului radiatiilor electromagnetice, corespunzãtor sensibilitãtii ochiului uman, cuprinde 7 radiatii: rosu, oranj, galben, verde, albastru, indigo si violet, între limitele energetice 1,7 si 3,2 eV (720-380 nm).

Culoarea observatã nu este cea absorbitã, ci cea complementarã acesteia. Dacã un obiect absoarbe radiatie rosie este observat ca fiind verde. Dacã verdele este observat în lumina reflectatã de un obiect semitransparent, atunci este perceput ca rosu în lumina transmisã prin el. Ca exemplu serveste celebra cupã a lui Lycurgus, lucrare romanã executatã din sticlã, expusã la British Museum. Lumina care traverseazã sectiunile transparente ale sticlei este rosie, perceptia fiind de verde datoritã luminii reflectate de sectiunile opace.

Astfel, conform teoriei culorii:

- un corp transparent apare colorat în culoarea complementarã celei absorbite;

- dacã nu se produce absorbtie, corpul este transparent si incolor;

- un corp opac este colorat în culoarea pe care o reflectã, complementarã celei absorbite;

- un corp care reflectã toate radiatiile apare opac, de culoare albã;

- un corp opac care absoarbe toate radiatiile este negru.

Interferenta undelor de luminã este o sursã de culoare, fiind rãspunzãtoare de culoarea baloanelor de sãpun, a peliculelor de ulei pe apã, a cochiliilor de stridii, a aripilor unor fluturi, precum si a lentilelor foto etc. Sticla anticã si piesele Luster de Tiffany au irizatii impresionante datoritã interferentei.

Interferenta se produce când o peliculã subtire de substantã transparentã este dispusã pe o suprafatã reflectantã. Producerea unei interferente în fazã sau în defazaj cu undele reflectate depinde de grosimea filmului si lungimea de undã a luminii. Culorile în lumina reflectatã si transmisã sunt complementare.

Dispersia luminii se produce dacã dimensiunea particulelor este mai micã decât 0.1 l, în care l este lungimea de undã a radiatiei incidente. Lumina violetã cu lungimea de undã de 425 nm este dispersatã de circa 10 ori mai eficient decât lumina rosie, de 625 nm.

Dacã se urmãreste apusul sau rãsãritul soarelui, ochiul vede lumina care a traversat particulele de praf si apã din atmosferã. Deoarece lumina albastrã este dispersatã spre margini, lungimile de undã mai mari, care sunt cu mai micã eficientã difuzate (rosu si galben) trec spre observator. Deci, culorile albastru si rosietic ale cerului sunt rezultatul difuziei selective a luminii de cãtre particulele de materie.

În conexiune cu efectele de difractie a luminii, artistii picteazã muntii în depãrtare în albastru si nu în verde.

Lacurile italiene, utilizate în secolele XVI-XVIII, rezultate ca suspensie coloidalã a unor produse de oxidare a uleiului de in, realizau efectul de culoare prin difractia luminii.

 

PERCEPTIA CULORII

 

Perceptia culorii depinde de: reflectanta spectralã a obiectului, sensibilitatea spectralã a ochiului si distributia spectralã a sursei de luminã. Culoarea observatã este rezultatul sumãrii acestor trei factori, pentru fiecare lungime de undã. Ochiul uman este mai sensibil la luminã verde si galbenã decât la luminã rosie si violetã.

Senzatia de luminã este perceputã de terminatiile nervoase, care sunt prelungiri ale nervului optic si apar la nivelul retinei, celule sub formã de bastonase (sensibile la alb-negru) si sub formã de conuri (sensibile la culoare).

Fotosensibilitatea retinei se coreleazã cu capacitatea de a transforma excitatia luminoasã în excitatie nervoasã si se datoreste prezentei unor pigmenti fotosensibili, ce suferã transformãri fotochimice reversibile.

Retina prezintã trei perechi de senzori: pentru rosu-verde, albastru-galben si alb-negru. Informatia tricromaticã este prelucratã în retinã si codificatã în douã culori, sub formã de semnal închis-deschis, care se transmite la centrii vizuali din creier. Ochiul este un detector sensibil, iar creierul este computerul care ia deciziile logice.

Modificãrile de culoare dependente de natura sursei de luminã pot fi exemplificate prin efectul Alexandrit. Alexandritul este o varietate mineralã de oxid de Al, Be si Cr, care este rosu în luminã artificialã si verde în lumina soarelui. Aceastã diferentã este determinatã de proportia mai mare de luminã rosie decât verde în iluminarea incandescentã, în timp ce în lumina solarã cele douã culori se aflã în cantitãti echivalente.

 

OPACITATE SI TRANSPARENTÃ

 

Lumina este reflectatã de / transmisã printr-un obiect transparent, dupã cum este reflectatã si absorbitã de un obiect opac.

Opacitatea este favorizatã de o diferentã mare între indicii de refractie ai materialului si mediului înconjurãtor, prezenta unui pigment în stare micronizatã mãrind numãrul de suprafete de reflexie si gradul de absorbtie al luminii.

În general, dacã indicele de refractie al unui mediu este mare fatã de cel al mediului înconjurãtor, cantitatea de luminã reflectatã de suprafata materialului este mare.

Un factor care influenteazã gradul de transparentã este dimensiunea particulelor de material. De exemplu, geamul de sticlã este transparent. Dacã acelasi geam este mãruntit si distribuit la aceeasi grosime ca si sticla originalã, se va prezenta ca strat alb si opac.

Dacã dimensiunea particulelor este egalã cu lungimea de undã a luminii absorbite, capacitatea de dispersare la acea lungime de undã este maximã.

Aplicarea unui film transparent pe o suprafatã matã se soldeazã cu efecte optice spectaculoase, culorile devenind mai profunde si mai strãlucitoare, iar contrastul dintre culori mai evident.

 

CONCEPTIA FIZICO-CHIMICÃ DESPRE CULOARE

 

Culoarea substantelor este determinatã de particularitãtile spectrale, de absorbtie si reflexie a luminii, adicã de forma, pozitia si intensitatea curbelor spectrale, depinzând de structura chimicã, polimorfism, respectiv de forma, dimensiunea si distributia granulometricã a particulelor de substantã colorantã.

Energia absorbitã produce excitarea atomilor, moleculelor si cristalelor, determinând tranzitia din starea fundamentalã într-un nivel energetic superior.

O conditie necesarã, dar nu si suficientã, pentru ca substantele sã apãrã colorate este ca diferenta de energie între nivelele electronice sã fie de 1,7-3,2 eV, ceea ce corespunde domeniului spectral vizibil 720-380 nm.

Dacã energia de tranzitie este mare, mai mare sau egalã cu 3.2 eV, trecerea din stare fundamentalã în stare excitatã implicã fotoni în domeniul ultraviolet.

Dacã molecula este modificatã structural astfel încât diferenta de energie sã scadã, se va înregistra o deplasare a maximului de absorbtie spre lungimi de undã mai mari, corespunzãtoare energiilor mai mici, implicate în fotoexcitarea electronicã.

Principalele procese electronice care conduc la culoare sunt: tranzitiile în computi organici conjugati, tranzitiile intramoleculare sau intermoleculare cu transfer de sarcinã, tranzitiile câmpului cristalin si tranzitiile de bandã.

 

MODALITÃTI DE PRODUCERE SI MODIFICARE A CULORII

 

Materialele cromatice cu diferite proprietãti fizice si chimice se caracterizeazã printr-o particularitate comunã: absorbtia si dispersia selectivã a luminii în domeniul spectral, corespunzãtor sensibilitãtii ochiului uman.

Culoarea se coreleazã cu prezenta unor specii chimice, caracterizate prin tranzitii electronice permise în domeniul vizibil al spectrului. Energetica acestor tranzitii poate fi modificatã de compozitia chimicã, structura fizicã si cristalinã a particulelor, precum si de natura mediului de dispersie. Modificarea structuralã a colorantilor este, în multe cazuri, rãspunzãtoare de efectul de culoare înregistrat.

Chiar dacã predictia proprietãtilor coloristice ale unor substante este riscantã, existã suficiente cunostinte în chimia colorantilor pentru a explica culoarea corpurilor, pentru a întelege de ce ionul cromat este galben, rubinul - rosu iar clorofila - verde.

 

IMPLICATIILE SISTEMELOR CROMOGENE ÎN TEHNOLOGII AVANSATE

 

Interesul pentru aplicarea colorantilor în tehnologii avansate se datoreste unor proprietãti fotofizice si fotochimice de exceptie, care le conferã calitatea de fotosensibilizatori, stocatori si convertizori ai radiatiei electromagnetice. Aceastã caracteristicã este valorificatã, atât de naturã în fotosintezã, fototropism si transfer de energie, cât si în tehnologii performante pentru nanomateriale si produse biomimetice.

Absorbtia energiei electromagnetice de cãtre coloranti conduce la stãri excitate reactive si poate fi însotitã de fenomene de luminiscentã, disipare termicã, transfer de energie si conversie în energie chimicã. În transferul energetic, fotosensibilizatorii coloranti deplaseazã spectrul de actiune al procesului fotochimic spre lungimi de undã mai mari, corespunzãtor unor energii mai mici.

Numeroase tehnologii avansate se bazeazã pe reactivitatea fotochimicã a colorantilor cu sistem conjugat extins de electroni p, proprietãti luminiscente, fotocromice, dicroice, redox, de fotosensibilizare, electroconductivitate, semiconductivitate electricã sau fotoconductivitate.

Pe de altã parte, tehnologiile moderne apeleazã la metode biomimetice pentru reproducerea structurii unor cromogeni naturali, caracterizati prin proprietãti de absorbtie selectivã a energiei electromagnetice, de o anumitã lungime de undã si conversie în radiatii de altã frecventã, precum si prin realizarea unor structuri supramoleculare, în care controlul proprietãtilor se realizeazã în conditii de selectivitate, specificitate si reproductibilitate.

Structurile supramoleculare care contin substante active (cromogeni, medicamente, enzime etc.) componente tensioactive si un suport macromolecular asigurã organizarea în monostraturi orientate, micele, membrane bistratificate, vezicule, structuri liposomiale etc. Acestea constituie baza pentru dispozitive performante de înregistrare, sisteme selective în optica neliniarã, energetica molecularã, conductivitatea electronicã sau fotonicã, cristale lichide, membrane fotosensibile, materiale holografice, memorii optice etc.

O serie de aplicatii neconventionale ale cromogenilor implicã transferul de energie, determinant în: reactii redox fotosensibilizate, fotosintezã, procese fotocatalitice, conversia energiei solare în energie chimicã; realizarea de membrane fotosensibile; autostructurarea sistemelor deschise; monitorizarea functionãrii biosistemelor; decodarea perceptiilor si transmiterea influxurilor nervoase; transmiterea informatiei genetice etc.

Asocierea moleculelor de coloranti si formarea unor agregate intermoleculare, datorite interactiilor prin forte Van der Waals, legãturi de hidrogen sau interactii hidrofobe, sunt de interes pentru clarificarea rolului stãrilor electronice excitate în procese chimice, fotochimice sau biologice.

În acest context, se disting sistemele enzimatice fotosensibile pe bazã de cromogeni fotocromici, ca modele ale sistemelor naturale fotosensibile. De exemplu, unii azoderivati fotocromici sunt aplicabili în stabilirea topografiei centrilor activi enzimatici, dupã izomerizare cis-trans indusã fotochimic, deoarece izomerul trans interactioneazã cu doi centri ai aminoacizilor din enzime, pe când forma cis cu unul singur (Schema 1.).

Astfel, colorantii azoici fotocromici pot constitui elemente active de fotoreglare a activitãtii unor enzime sau a potentialului membranelor celulare.

 

Schema 1.

 

Functionalizarea si suprastructurarea cromogenilor prin inginerie molecularã, în scopul extinderii arealului de utilizãri, precum si considerarea conexiunii luminã-culoare-cromogeni, expresie a triadei fundamentale Informatie - Energie - Materie, sunt si vor fi domenii fascinante, incitante, prin cauze, solutii, conotatii si efecte, domenii care invitã insistent la investigarea teoreticã si aplicativã a colorantilor organici.

 

Prof.univ.dr.ing. Valeria - Marta Gorduza

Facultatea Chimie Industrialã - Universitatea Tehnicã Gh: Asachi Iasi