Класс!ная физика



Фотохромизм и термохромизм - удивительные игры цвета

06.01.2017

Только представьте : В помещении они были ярко-красные, а на улице под солнечными лучами вдруг стали светло-розовыми!
А что Вы для этого сделали? Да, ничего!
А кто "они"? Да, ваши наманикюренные ноготочки ...

Да, такие лаки для ногтей действительно существуют!
И относятся они к фотохромным веществам, о которых далее пойдет речь.

Лак, меняющий цвет при освещении его солнечным светом. Цвет лака меняется от содержащегося в солнечном свете ультрафиолетового излучения.

При обычном свете, этот лак будет иметь один цвет, но, попав под прямые солнечные лучи, цвет лака изменится. Для изменения цвета понадобится около минуты. После того, как Вы снова окажитесь вне солнечных лучей, цвет лака станет первоначальным. Изготовители лака утверждают, что количество циклов смены цвета лака неограничено.
Модницам надо помнить, что начальный цвет лака на ногтях будет зависеть от толщины слоя лака и от количества ультрафиолета в дневном свете.

Так что же такое «фотохромные» материалы?
Еще во времена Александра Македонского были известны вещества, которые изменяли свой цвет в зависимости от яркости дня, и это помогало определять военачальникам начало военных действий. Таким веществом пропитывали платки или нарукавные повязки, и смена цвета являлась сигналом к началу атаки. Это был и первый простейший измеритель яркости.

Красителями служили вещества органического происхождения, краситель выделялся из растений или животных.
Однако, не все краски фотохромны. Действие света изменяет окраску лишь у некоторых веществ. В отличие от обычного выцветания этот эффект обратим - фотохромное вещество в темноте вновь приобретает первоначальную окраску.

Ученым миром явление фотохромизма было обнаружено в конце 1880-х годов.
Сначала этот эффект был назван фотоанизотропным, т.е. имеющий двойственные свойства, и только в 1950 году был предложен термин "фотохромизм".

Фотохромизм - это способность вещества менять свой цвет под воздействием ультрафиолетовых лучей. Так как в солнечном свете присутствуют и лучи ультрафиолета, фотохромные материалы, попав под солнечный свет, вернее под ультрафиолетовые лучи в солнечном свете, меняют цвет.

Фотохромизм возможен в органических и в неорганических веществах, а также в биологических системах (например, в сетчатке глаза).
Гакманиты из Гренландии и Квебека (Канада) меняют цвет от розового или фиолетового до практически белого при воздействии солнечного света. Гакманиты из Афганистана и Бирмы меняют цвет в противоположном направлении: в темноте они кремово-белые, а под солнцем становятся розовыми, красными или фиолетовыми.

К природным неорганическим фотохромным материалам относятся некоторые минералы, например, хакманит, который после облучения солнечным светом меняет свой цвет от фиолетового до бледно-желтого или бесцветного (из месторождений в Гренландии), и минерал тугтупит, который способен менять цвет от белого или бледно-розового до ярко-розового.

Различают химический и физический фотохромизм. Природа их различна.

Физический фотохромизм — результат перехода атомов или молекул из основного состояния в возбуждённое. Изменение окраски в этом случае обуславливается изменением заселённости электронных уровней и наблюдается при воздействии на вещество только мощных световых потоков.

В 1956 году у ученых возникла идея использования фотохромических веществ при создании оптической памяти вычислитительных машин и для защиты глаз от солнечного света и излучения ядерного взрыва. С развитием лазерной техники они стали применяться для регистрации и обработки оптической информации.
Материал для фотохромов, как правило, синтезируют искусственным путем из органических и неорганических соединений. Это могут быть стекла, кристаллы, сложные и простые красители, полимеры и полупроводники.
В зависимости от области использования фотохромические материалы изготавливают в виде жидких растворов, полимерных плёнок, тонких аморфных и поликристаллических слоев на гибкой или жёсткой подложке, полимолекулярных слоев, силикатных и полимерных стёкол, монокристаллов.

Фотохромные материалы используются в производстве игрушек, косметики, одежды и других изделий.

Вот еще один пример!

Нитки для вышивания, меняющие цвет на солнце из белого цвета, в другой. В освещенном помещении цвет ниток - белый, когда на них попадет солнечный свет, цвет ниток меняется!.
Скорость изменения цвета у таких ниток, как и у любых других фотохромных веществ, зависит от интенсивности ультрафиолетовых лучей. В ярком солнце, такие нитки изменят цвет достаточно быстро, примерно за минуту. Но, если интенсивность ультрафиолета будет меньше, то цвет будет изменяться немного дольше. Ученые, работающие с фотохромными веществами, стараются добиться максимально быстрой реакции, чтобы цвет изменялся как можно быстрее.

На сегодняшний день разработано огромное количество типов фотохромов.
Есть фотохромы, у которых время памяти исчисляется годами, у других долями секунды, большинство фотохромов "чувствует" ультрафиолетовое излучение.

Фотохромы применяются для регистрации, хранения, обработки и передачи оптической информации, как оперативную память, и как материал для экранов больших дисплеев, величиной с киноэкран, и для многих современных систем оптоэлектроники и оптических компьютеров будущего.

Фотохромное стекло может эффективно использоваться в оптико-электронных запоминающих устройствах, передающих системах, где изменение количества света служит для контроля и регулирования, в качестве химических переключателей и панелей для индикации.
В модуляторах лазерного излучения всё большее применение находят органические полимерные стёкла и плёнки.
Применение фотохромов дает возможность перезаписи и исправления зарегистрированной информации с помощью теплового или светового воздействия, а также возможность хранения записанной информации от долей секунды до нескольких лет.

Но одно из наиболее наглядных применений – это фотохромное стекло для защиты глаз.
Иллюминатор в самолете, ветровое стекло в автомобиле смогут сами регулировать яркость света в салонах.
Можно сделать «самозатемняющиеся» окна в учреждениях и больницах, цехах и спортивных залах, наконец, в жилых домах. Людям со слабым зрением новый материал поможет избавиться от необходимости носить с собой две пары очков: фотохромные линзы позволят работать и в помещениях, и на ярком свету в одних и тех же очках.

Самое известное в быту применение фотохромных материалов – это солнцезащитные очки, называемые «очками-хамелионами».
В таких очках, цвет линз меняется при попадании на них солнечного света, вернее, ультрафиолета в нем.

И, когда Вы носите такие очки в солнечную погоду, их линзы темнеют, в дневном обычном свете - линзы становятся снова более прозрачными.
Первоначально придать фотохромные свойства стеклу было не просто. Но теперь технология их получения почти не отличается от варки обычного стекла.
Первые фотохромные линзы из стекла были разработаны в США в 1964 году. В 70-х годах на рынке США появились первые образцы органических фотохромных линз. По ряду показателей эти линзы превосходили традиционные минеральные фотохромные линзы, в них вводили специальные добавки.

А как выбрать солнцезащитные очки?
Солнечный свет – это в основном сочетание ультрафиолетового и инфракрасного излучения.
Инфракрасное излучение, хотя и рассеивается частично в атмосфере, в сочетании с ультрафиолетом может представлять серьезную опасность.
Линзы из качественных полимерных материалов задерживают ультрафиолетовые лучи. Стекло тоже достаточно хорошо задерживает ультрафиолет, но не полностью. А вот инфракрасное излучение проходит как сквозь пластик, так и сквозь стекло!
Интересно, что темные линзы далеко не всегда способны задерживать солнечное излучение.
Если линзы не обладают свойствами защиты от ультрафиолета, его доза оказывается даже больше, чем полученная через прозрачную линзу, т.к. зрачки за этими темными линзами расширяются.

На качественных солнцезащитных очках есть специальная маркировка уровня защиты глаз:
— «0» – светопропускание 80–100% (минимальная защита от ультрафиолетового излучения всех видов);
— «1», «2» – светопропускание 43–80% и 18–43% ( рекомендуются для использования в городских условиях, от ультрафиолета они защищают только частично);
— «3» – светопропускание 8–18% ( для пляжного отдыха и выезда на природу);
— «4» – светопропускание 3–8 % (для высокогорья и жарких стран).
Фильтры «3» и «4» практически полностью защищают глаза и от ультрафиолетового и инфракрасного излучений

Поляризационные линзы не пропускают интенсивное отражение света от поверхностей (мокрого асфальта, снега, льда, воды) и обеспечивают комфортное и четкое зрение ( для людей, страдающих светобоязнью, автолюбителей, пациентам после операций на сетчатке).
Фотохромные линзы рекомендуются для вождения автомобиля в ночное время, обеспечивают адаптацию к резкому изменению яркости света.
Фотохромные линзы используются в «очках-хамелеонах», которые темнеют на солнце, а при отсутствии солнечного света их линзы становятся прозрачными. В жару затемнение фотохромных линз меньше, и глаза защищаются ими хуже.

Бывают солнцезащитные линзы, объединяющие и поляризационные, и фотохромные свойства .
Со временем фотохромные линзы могут «уставать», и затемнение линз ослабевает. Поэтому такие очки надо регулярно заменять новыми.
Если вы водите автомобиль или часто выходите из помещения на солнце и обратно – приобретите очки с фотохромными линзами, а вот для отдыха в заснеженных горах лучше приобрести очки с поляризационными линзами.

Вы думаете, что узнали об изменении цвета всё?
Наивные люди, я тоже так думала …
Вообще, существует множество разновидностей веществ, меняющих свой цвет от чего-либо, будь это температура, свет и т.д.
В науке известно более всеобъемлющее феноменальное явление - "хромотропизм", приводящее к изменению цвета краски еще и в других случаях:
"пьезохромизм" - изменение цвета под действием давления;
"трибохромизм" - изменение цвета под действием фрикционной силы;
"электрохромизм" - цветовые изменения происходят под действием электричества;
“термохромизм» - изменение цвета при воздействии температуры.

А вот «волшебная соломка»!

Это соломка для напитков и коктейлей, меняющая свой цвет в зависимости от температуры напитка.
Хотите такую? Я тоже …
Продается набором из 24 соломинок разного цвета. Цвет каждой из них, меняется, когда соломинка оказывается в холодном напитке.
Это проявление явления «термохромизма». Соломинки обладают термохромным эффектом.

Термохромность - это изменение цвета вещества при изменении его температуры.
Термохромные материалы (и специальные краски тоже) обладают свойством изменять цвет или становиться прозрачными при воздействии тепла.
Существуют органические и неорганические термохромные вещества. Например, драгоценный камень рубин, имеющий в обычном состоянии густо-красную окраску при нагревании становится сначала фиолетовым, а затем зеленым. Это тоже проявление термохромизма.

Кстати, вернемся к нашему лаку для ногтей!

Существуют лаки для ногтей, меняющие свой оттенок при изменении окружающей температуры, и лучше всего эффект заметен в холодные времена года, когда перепады окружающей температуры более значительны.

Где применяются термохромные материалы, в частности краски и покрытия?
В области печатания термохромы используются при изготовлении рекламной продукции, этикеток, упаковки, документов с защищенной информацией, текстильной продукции, игрушек и т.п.

Типографские термохромные краски могут быть двух видов:
- возвратные, не изменяют цвет, а становятся прозрачными при нагреве, и вновь приобретают первоначальный цвет при охлаждении;
- невозвратные, т.е. такие краски, цвет которых не возвращается к первоначальному даже после окончания действия высокой температуры.
Исходный цвет краски может быть только черным, синим, пурпурным, оранжевым, красным и алым, т.е. это всегда яркий оттенок, чтобы переход цветной краски в прозрачный был заметнее. Возвратные краски используются как индикаторы температуры
Есть термохромные краски, которые могут окрашиваться не только в два цвета, а значительно в большее количество цветов.

В легкой промышленности, например, термохромные материалы часто используются в детской посуде, особенно в бутылочках. Такие бутылочки окрашиваются в определенный цвет тогда, когда температура содержимого оптимальна.
Существуют чайники, меняющие свой цвет при определенных температурах.

А теперь о знаменитых «умных» фотохромных и термохромных окнах!
Подобно очкам, которые затемняются на ярком свету, фотохромные окна реагируют на изменение освещенности. Они блокируют свет, но не уменьшают нагрева воздуха внутри помещения.
При естественном нагреве от солнечных лучей термохромное стекло белеет и отражает свет. Уменьшается нагрев, экономятся затраты на кондиционирование воздуха в помещении. Однако, когда термохромное стекло отражает лучи, оно становится полностью непрозрачным, что делает этот вид окон непрактичным.

А что у Вас есть из фотохромного или термохромного?





Устали? - Отдыхаем!

Вверх