В чём разница между пигментами и красителями? Как называется самый древний пигмент, рецепт которого был раскрыт не так давно? Что такое квантовые точки и как зависит цвет от их размера? Об этом и многом другом узнали гости лекции «Химия цвета», которая прошла 20 августа в Информационном центре по атомной энергии (ИЦАЭ) Кирова.

Наиля Саетова, старший научный сотрудник Института химии и экологии ВятГУ, в начале лекции отметила, что люди всегда пытались объяснить цвет: «Пифагор считал, что глаз сам испускает лучи, ощупывающие предметы, а Аристотель утверждал, что все цвета — это смеси света и тьмы в разных пропорциях. Однако настоящим прорывом стал опыт Ньютона по дисперсии — он доказал, что белый свет можно разложить на компоненты спектра. С тех пор физика говорит нам, что цвет — это результат отражения определённых длин волн».

Спикер отметила, что все мы привыкли к цветным периодическим таблицам, но в 2018 году американский исследователь Стивен Муров представил таблицу, где элементы окрашены в их естественные цвета, — и она оказалась почти полностью серой.

«Мы живём в мире электромагнитных волн, но видим лишь узкую область шириной около 400 нм. Атомы объединяются в молекулы, где электроны располагаются на орбиталях – как жильцы многоэтажного здания», – пояснила спикер. – Когда свет попадает на электрон, он переходит на более высокий уровень, энергия этого перехода обратно пропорциональна длине поглощённой волны. Чем больше изменение энергии — тем короче волна, чем длиннее волна — тем меньше энергии. Получается, что цвет – это результат взаимодействия между энергией и электронами».

Особый интерес у публики вызвал рассказ о минералах. Хризоберилл — жёлтый минерал, не слишком известный в ювелирном деле. Однако если заменить меньше процента ионов алюминия на ионы хрома, получится александрит, который меняет цвет в зависимости от освещения: при дневном — от зелёного до голубого, при искусственном — от малинового до красного. В спектре лампочки гораздо больше красного, чем в солнечном свете, и этот пример наглядно демонстрирует, как волны видимого спектра формируют цвет.

Наиля Саетова привела ещё более яркий пример — турмалин. Этот минерал с очень сложной формулой может проявлять огромный диапазон цветов. Железо даёт чёрные и тёмно-коричневые оттенки, магний — жёлтые и коричневые, а литий вообще почти не ограничивает палитру. Следующий пример, с которым познакомились участники встречи — корунд. «В лаборатории оксид алюминия — белый порошок, но в природе небольшие примеси, до двух процентов, делают его драгоценным камнем», — отметила Наиля Саетова.

От обсуждения минералов спикер перешла к пигментам, а после рассказала о происхождении стекла, которое до сих пор остаётся загадкой: его состав не соответствует римским стандартам того периода.

«Мы не знаем, добавил ли мастер уран намеренно или это была случайная примесь. Однако в начале XX века производители украшений, плитки и посуды точно знали, что делали: это был расцвет использования оксида урана в глазурях, – пояснила спикер. – В США были популярны наборы посуды, где все пигменты получали на основе урана. Наибольшую известность приобрела кирпичная глазурь — такими плитками выкладывали стены больниц и станций метро. Станция в Берлине — самый известный объект, который регулярно проверяют туристы со счётчиками Гейгера. Опасности эти материалы не представляют, но внимания к себе привлекают много».

Помимо пигментов есть красители. Участники встречи узнали, что отличить их между собой можно следующим образом: краситель растворим в воде, пигмент — нет. Красители добывали из растений и моллюсков — они органические. Так, например, индиго получали в Индии из индигоферы. Другой популярный краситель — кошениль, ярко-красный, создается из мексиканских насекомых. 

Сегодня окрашивание тканей — гигантская индустрия. Эра синтетических красителей началась со случайности. В 1856 году Уильям Перкин пытался синтезировать хинин от малярии, а получил анилиновый пурпур — мовеин. «И, конечно, нельзя не упомянуть самый известный краситель в России — бриллиантовый зелёный. Он был получен в 1879 году как анилиновый краситель. В 1910 году выяснилось, что он убивает микробы», – поделилась со зрителями интересным фактом Наиля.

Окраска живых существ может быть пигментной — меланины, каротеноиды, порфирины, антоцианины, птерины и флавины, но есть ещё структурная окраска — когда цвет возникает не за счёт электронных переходов, а благодаря особой наноструктуре поверхности, которая преломляет свет. Об антоцианинах спикер рассказала отдельно. Существует всего шесть основных антоцианидинов, на базе которых строятся все антоцианы. Необычные сорта картофеля или голубые розы — результат работы с антоциановой пигментацией. Это сложнейшая область: японские учёные более 30 лет изучают окраску гортензий — и это только одно растение. Всего идентифицировано от 500 до 700 антоциановых соединений.

От фотонных кристаллов лектор перешла к плазмонным. В отличие от фотонных, они в природе не встречаются. «Кубок Ликурга, изготовленный в IV веке в Римской империи, — абсолютно потрясающий пример. При детальном изучении в стекле обнаружили наночастицы золота и серебра размером около 70 нм. Они сделали стекло дихроичным — меняющим цвет в зависимости от освещения: на просвет он красный, в проходящем свете — зелёный», – с восхищением поделилась спикер.

Окрашивать стекло можно и квантовыми точками. За их синтез наш соотечественник Алексей Екимов получил Нобелевскую премию по химии 2023 года. Он выращивал кристаллы хлорида меди в стекле и обнаружил, что светопоглощение зависит от размера кристаллов. Маленькие квантовые точки дают синий цвет, большие — красный. Селенид кадмия часто используют для создания квантовых точек и окраски стекла. Самый известный пример — рубиновые звёзды Московского Кремля. Первый рецепт рубинового стекла открыл Иоганн Кункель в XVII веке, используя наночастицы золота. Рецепт утеряли при пожаре в лаборатории, но кубок самого Кункеля сохранился. Позже Ломоносов переоткрыл состав в середине XVIII века. А советские стекольщики, опираясь на опыт Ломоносова, решили делать селеновый рубин вместо золотого — иначе окрасить 500 квадратных метров золотом было бы невероятно дорого.

«Мы разобрали множество способов формирования цвета — с использованием органических и неорганических, натуральных и синтетических веществ. Но если посмотреть на формулы, сам цвет в них не фигурирует. Спектр электромагнитных волн — и то, что мы называем видимым спектром, — тоже придумали мы. Цвета не существует как объективной характеристики. Это наш глаз воспринимает отражённую волну определённым образом, а мозг обрабатывает её в силу своего понимания», – завершила свою лекцию спикер.