Luce e colore

1. Luce e colore

2. Colore

3. La visione: uno strumento molto utile per ottenere delle informazioni dall’ambiente esterno! Percezione delle “forme” (linee verticali, oblique ecc. ecc.) Percezione dei colori Visone notturna (in bianco e nero!) Percezione del movimento Ruolo centrale nell’evoluzione delle specie viventi Molto sviluppata nell’essere umano a discapito degli altri sensi. Diverso tipo di vista negli atri esseri viventi: La percezione visiva è “soggettiva”: non è la misura di qualcosa di intrinseco all’oggetto “percepito”, ma dipende dal soggetto che “percepisce” ed in particolare dallo strumento “sensoriale”, che comprende l’occhio e il cervello Per questo esperimenti visivi (spesso basati sui colori) sono usati da psicologi ed etologi per capire come funziono il cervello e la mente dell’uomo e degli altri animali

7. Che cos’è il colore? Noi percepiamo il colore così come percepiamo il gusto. Quando mangiamo, le nostre papille gustative sono in grado di farci sentire i gusti dolce, salato, acido o amaro. Analogamente, quando osserviamo una scena, i nostri nervi ottici registrano il colore in termini di attributi quali l’ammontare di rosso-o-verde, di blu-o-giallo, e la luminosità. N.B.: il colore esiste solo in presenza della luce!!! L'occhio umano percepisce le lunghezze d'onda che vanno da 400 a 700 nm. http://webexhibits.org/colorart/

8. A s s o r b a n z a Spettro di assorbimento di un composto di colore VERDE  = lunghezza d’onda (nm) Spettri di assorbimento della clorofilla a (verde chiaro) e della clorofilla b (turchese) I massimi di assorbimento della clorofilla a si trovano a  = 430 e 662 nm, quelli della clorofilla b a  = 453 e 642 nm.

9. La nostra retina contiene circa 6 milioni di coni, sensibili ad un ampio intervallo di luminosità. I coni sono di vario tipo, e si distinguono per la diversa sensibilità alle lunghezze d’onda corte, medie e lunghe. (In aggiunta a questi, la nostra retina possiede circa 125 milioni di bastoncelli, utili per la visione notturna - essi sono sensibili unicamente alla luminosità). Il grafico mostra la sensibilità e la risposta dei diversi coni alle diverse lunghezze d’onda. I coni medi, per esempio, sono più sensibili al verde che al rosso. E’ interessante notare come l’esistenza di tali recettori sia stata ipotizzata da George Palmer nel 1777, e alcuni decenni dopo da Thomas Ypung, ma che i recettori stessi siano statiscoperti soltanto alla fine del XIX secolo.

10. intervalli di lunghezze d’onda ~ 625-740 nm ~ 590-625 nm ~ 565-590 nm ~ 500-565 nm ~ 485-500 nm ~ 440-485 nm ~ 380-440 nm I colori dello spettro visibile http://en.wikipedia.org/wiki/Color

11. Perché le cose sono colorate? Perché il cielo è blu? Perché il fuoco è giallo? Perché i fenicotteri sono rosa e gli smeraldi verdi?

13. Emissione luminosa Interazione luce-materia rifrazione riflessione naturale (combustione) assorbimento scattering naturale (fusione nucleare) artificiale (incandescenza, neon)

14. Il colore azzurro pallido dell’acquaè visibile se si guarda verso l’alto attraverso un tubo chiuso di alluminio lungo 3 metri e riempito di acqua purificata. Nella foto a fianco, a sinistra, il tubo azzurro contiene acqua normale, mentre il tubo a destra, incolore, contiene acqua pesante. Vibrazioni ed eccitazioni semplici spiegano il colore legato all’incandescenza (le fiamme), all’eccitazione dei gas (tubi al neon, aurora boreale, ed alle vibrazioni e rotazioni (colore azzurro del ghiaccio e dell’acqua).

15. Turchesi Rubino rosso Smeraldo verde La presenza di metalli di transizione sotto forma di composti (turchese, ossido di cromo verde)o impurezze (rubino, smeraldo) provoca la presenza di colori dovutiall’effetto del campo dei leganti. Il minerale corundum, Al2O3 , è incolore Cr Al : Rubino Mn Al: Ametista Fe Al:  Topazio Ti e Co Al:  Zaffiro Il minerale berillo, Be3Al2Si6O18, è incolore  Cr Al :   Smeraldo Fe Al :  Acquamarina

16. Gli orbitali molecolari sono la cause del colore di composti organici (indaco, clorofilla) e di composti a trasferimento di carica (lapislazzulo, zaffiro blu). In autunno la clorofilla delle foglie si decompone, il colore verde svanisce e lascia il posto agli aranci e ai rossi dei carotenoidi.

17. Le bande di energia sono coinvolte nel colore dei metalli e delle leghe metalliche (oro, ottone), dei semiconduttori (giallo cadmio, vermiglione), dei semiconduttori drogati (diamante blu e giallo), e dei centri di colore (ametista, topazio). Cristalli di diamante sintetico (spessore 3 mm) cresciuti dalla General Electric. Il diamante incolore è carbonio puro, quello blu contiene boro (accettore) e quello giallo contiene azoto (donatore). Centri di colore. Sopra: una bottiglia di vetro irradiata per ottenere il colore blu-violaceo, un cristallo incolore di quarzo sintetico ed uno che è stato irradiato ed è diventato quarzo grigio-fumo. Sotto: un quarzo citrino sintetico, giallo per la presenza di ferro, ed uno che è stato irradiato ed è diventato un’ametista.

18. Ottica geometrica ed ottica fisica sono coinvolte nei colori che derivano da rifrazione dispersiva (arcobaleno, raggio verde al tramonto), scattering o diffusione (cielo blu, occhi azzurri, tramonto rosso), interferenza (bolle di sapone, coleotteri iridescenti), e diffrazione (anello di diffrazione solare, opale). Colori prodotti per diffrazione in un opale sintetico nero di 12 mm di diametro (Ets. Ceramiques Pierre Gilson).

19. SCATTERING = diffusione In ottica ed in astrofisica di solito il fenomeno dello scattering è riferito alla dispersione della luce da parte di oggetti macroscopici o microscopici. Un esempio molto comune di scattering della luce è dato dal colore blu del cielo: la luce bianca del sole incide sull'atmosfera terrestre, la quale diffonde con più facilità le frequenze più alte; di conseguenza, mentre la luce bianca ci arriva direttamente se guardiamo dritti verso il sole, la luce blu diffusa ci sembra provenire da tutte le direzioni. Un altro esempio tipico è il colore bianco del latte o delle nuvole: in questo caso tutte le frequenze vengono diffuse uniformemente, e siccome il processo si ripete moltissime volte all'interno del mezzo, non è più riconoscibile la direzione di provenienza della luce ed il mezzo assume un colore bianco opaco. Il processo di scattering non include alcun tipo di assorbimento o di emissione.

20. Perché il cielo è azzurro? Quando la luce del sole attraversa l’atmosfera, una parte di essa “rimbalza” su particella presenti nell’aria e viene diffusa in tutte le direzioni. La luce blu, che viene diffusa molto più facilmente degli altri colori, illumina l’atmosfera, e la fa apparire azzurra. Gli altri colori, essendo meno diffusi, tendono ad attraversare l’atmosfera in modo lineare. La luce del sole ci sembra giallo chiara: la luce che raggiunge i nostri occhi non è completamente bianca, infatti, poiché una parte di luce blu è stata rimossa per effetto della diffusione. Perché i tramonti sono rossi? Al tramonto, quando il sole è basso all’orizzonte, la luce del sole attraversa uno strato di atmosfera più spesso rispetto allo strato attraversato durante il giorno. Nell’istante in cui la luce raggiunge i nostri occhi, la maggior parte dei colori ha subito un processo di diffusione. L’ultimo colore ad essere diffuso è il rosso.Se l’aria contiene molte particelle sospese (inquinamento, polvere, fumo), Il sole e il cielo posso assumere una colorazione rossastra anche di giorno.

21. DISPERSIONE Il fenomeno dell’arcobaleno è causato dalla dispersione della luce solare, rifratta da gocce d’acqua approssimativamente sferiche. In ottica ladispersioneè un fenomeno che causa la separazione di un’onda nelle sue componente spettrali aventi diverse frequenze (diversa frequenza significa diversa velocità di attraversamento di un mezzo). La rifrazione, in ottica geometrica, è la variazione nella direzione di un’onda dovuta ad una variazione di velocità dell’onda stessa. La si può osservare quando la luce viaggia da un mezzo ad un altro avente diverso indice di rifrazione.

22. Diffrazione di un’onda attraverso una fenditura stretta Interferenza costruttiva e distruttiva delle onde diffratte DIFFRAZIONE La diffrazione èun fenomeno fisico per il quale un‘onda elettromagnetica, incontrando un ostacolo o un diaframma, si propaga in maniera non conforme alle leggi dell‘ottica geometrica. Per effetto della diffrazione una fessura o un foro illuminati appaiono circondati da un alone. Se la luce è coerente (laser) e la dimensione delle fenditure è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda della radiazione, su uno schermo posto di fronte al foro o alla fessura si può osservare la formazione di zone chiare e scure alternate, per effetto di interferenza tra le onde. http://it.wikipedia.org/

23. Diffrazione di raggi X da un cristallo Diffrazione di luce visibile Un fenomeno analogo si produce anche nel caso di onde sonore o materiali (ad es. le onde del mare sulla riva).

24. La luce che passa attraverso nubi sottili, costituite da goccioline d’acqua di dimensione uniforme (ma anche un vetro appannato produce lo stesso effetto!) può causare la comparsa di anelli di diffrazione intorno all’immagine del sole o della luna. Un anello di diffrazione intorno al sole nascente. Foto con tempo di apertura di 1/10 di secondo (luna piena sovraesposta). La luna è velata da nubi sottili, ed è visibile un disco bianco luminoso circondato da un anello rosso.

25. Sei gemme blu, sei diverse cause di colore In senso orario da in alto a sinistra:(1) Berillo blu, centri di colore ottenuti per irradiazione. (2) Spinello blu rotondo, colore da campo dei leganti da un’impurezza di cobalto. (3) Spinello “doppietto”, spinello incolore contenente uno strato di un colorante organico. (4) Lapislazzulo ovale, trasferimento di carica anione-anione (S3-). (5) Zaffiro blu, trasferimento di carica Fe-Ti. (6) Shattuckite ovale, composti di cobalto.

26. Qualche minuto per le domande e per le curiosità

27. PIGMENTI

28. PIGMENTO Il termine è di origine latina (pigmentum) Indicava inizialmente un colore nel senso di sostanza colorante; in seguito servì anche ad indicare una decorazione colorata. Nel tardo Medioevo la parola veniva usata per tutti gli estratti di piante e vegetali impiegati per colorare (in questa accezione il termine è ancora in uso in biologia). Il significato moderno di pigmento nasce nel XX secolo: secondo standard accettati la parola pigmento indica una sostanza, consistente di piccole particelle, che è praticamente insolubile nel mezzo disperdente applicato, ed è utilizzata in riferimento alle sue proprietà coloranti, protettive o magnetiche. Sia i pigmenti, sia i coloranti sono “materiali coloranti”. Ciò che distingue i pigmenti dai coloranti organici è il fatto che i primi sono insolubili nei solventi e nei leganti che li contengono, mentre i secondi sono solubili.

29. Note storiche -60000 y Era Glaciale: ocra naturale -30000 y Pitture rupestri: carboncino, ocra, bruno di manganese, argille 2000 B.C. ocra naturale bruciata  pigmenti rosso, violetto e nero utilizzati nel vasellame. Primi pigmenti giallo chiaro: solfuro di arsenico e giallo di Napoli (antimoniato di piombo) Pigmenti blu: blu oltremare )lapislazzuli, blu Egizio (silicato di rame e calcio), spinello di alluminio e cobalto Pigmenti verdi: malachite, idrossicloruro di rame

30. Pigmenti bianchi: calcite, alcune fasi del calcio solfato, caolinite (alluminosilicato di calcio) Pigmenti neri: solfuro di antimonio e galena (solfuro di piombo) Smalti colorati per mattoni (pigmenti ceramici) erano usati dai Caldei Sviluppi importanti nel campo dei pigmenti ebbero luogo nel primo periodo del Rinascimento. Il carminio fu introdotto dal Messico dagli Spagnoli. Vetri blu contenenti cobalto e smalti furono sviluppati in Europa. Industria dei pigmenti: XVIII secolo: Blu di Berlino 1704, blu di cobalto 1777, verde di Scheele, giallo cromo 1778) XIX secolo: blu oltremare, pigmenti al cobalto, pigmenti all’ossido di ferro, pigmenti al cadmio XX secolo: i pigmenti divennero oggetto di studi scientifici

31. Aspetti economici Produzione mondiale di pigmenti nel 1995: circa 5 x 106 t, 97% delle quali costituite da pigmenti inorganici Consumo mondiale stimato di pigmenti inorganici nel 1995: Diossido di titanio 66% Ossidi di ferro (naturali e sintetici) 14% Pigmenti neri a base di carbonio 10% Litopone (che comprende ZnS) 4% Cromati 3% Ossido di cromo 1% Ossido di zinco < 1% Molibdati/ cromati di piombo < 1% Pigmenti perlacei < 1% Pigmenti a base di ossidi metallici misti < 0.5% Pigmenti blu a base di ferro < 0.5% Oltremare < 0.5% 1995: le vendite di pigmenti inorganici ammontano a circa 13 miliardi di dollari

32. Impieghi Colori per tinteggiature, vernici, plastiche, colori per l’arte, inchiostri per carta e tessuti, decorazioni di pelli, materiali per le costruzioni (cemento, mattoni di calcestruzzo e piastrelle), imitazioni di pelli, moquettes, gomma, carta, cosmetici, ceramiche lucide, smalti. Le proprietà coloranti (colore, forza colorante o schiarente, potere coprente) sono importanti nel determinare l’efficienza di applicazione e quindi gli aspetti economici. Sono inoltre importanti le seguenti propietà: 1) Proprietà chimiche e fisiche generali: composizione chimica, contenuto di umidità e di sali, contenuto di materia solubile in acqua o negli acidi, dimensione delle particelle, densità e durezza. 2) Proprietà di stabilità: resistenza alla luce, all’atmosfera, al calore ed agli agenti chimici, proprietà anticorrosive, ritenzione della lucentezza. 3) Comportamento nel mezzo legante: interazione con le proprietà del legante, capacità di disperdersi in esso, proprietà speciali in determinati leganti, compatibilità ed effetto solidificante.

33. Proprietà chimiche e fisiche generali

34. PROPRIETA’ DEI COLORI • Aspetti fondamentali • Quando un fotone entra in uno strato sottile di pigmento, avviene uno dei seguenti • eventi: • Il fotone è assorbito da una particella del pigmento • Il fotone è diffuso da una particella del pigmento • ll fotone passa attraverso lo strato sottile (si assume che il legante non assorba la radiazione luminosa) Le proprietà ottiche importanti dei pigmenti sono quindi le proprietà di assorbimento e di diffusione della luce. Se l’assorbimento è piccolo rispetto allo scattering, il pigmento è bianco. Se l’assorbimento è molto maggiore dello scattering nell’intera regione del visibile il pigmento è nero. In un pigmento colorato assorbimento e scattering sono selettivi (dipendono cioè dalla lunghezza d’onda)

35. CLASSIFICAZIONE dei pigmenti inorganici Pigmenti bianchi: l’effetto ottico è causato da diffusione non selettiva della luce (esempi: diossido di titanio e solfuro di zinco) Pigmenti colorati: l’effetto ottico è causato da assorbimento selettivo della luce ed anche, in larga misura, da scattering selettivo della luce (esempi: ossidi di ferro rosso e giallo, pigmenti a base di cadmio, pigmenti blu oltremare, giallo cromo, blu cobalto) Pigmenti neri: l’effetto ottico è causato da assorbimento non selettivo della luce (esempi: nero di carbonio, nero a base di ossido di ferro)

36. Composizione chimica Con poche eccezioni i pigmenti inorganici sono ossidi, solfuri, ossidi idrossidi, silicati, solfati o carbonati, e consistono normalmente di particelle ad un solo componente con strutture cristalline ben definite. Pigmenti misti e di substrato, al contrario, consistono di particelle non uniformi o a più componenti.

38. Dimensione e forma delle particelle che costituiscono i pigmenti ——————————————————————————————————————————— Particella Unità individuale di un pigmento; può avere forma o struttura qualunque Particelle primarie Particelle riconoscibili come tali per mezzo di opportuni o individuali metodi fisici (p.es. microscopia ottica o elettronica cuboide sferica a forma di barra di forma irregolare azzurrite lapislazzulo cinabro

39. Aggregato insieme di particelle primarie cresciute insieme e allineate lato contro lato; l’area superficiale totale è inferiore alla somma delle aree superficiali delle singole particelle primarie Agglomerato Insieme di particelle primarie (unite ai vertici o agli spigoli) e/o aggregati la cui area superficiale totale non differisce apprezzabilmente dalla somma delle singole aree superficiali Flocculato Agglomerato presente in una sospensione (per esempio in un sistema pigmento-legante), che può essere facilmente disaggregato meccanicamente

40. Potere colorante (tinting power), potere schiarente (ligthening power) e potere di scattering Il potere colorante è la misura della capacità di un colorante di conferire colore, in virtù delle sue proprietà di assorbimento, ad un materiale che diffonde la luce. Il potere schiarente è il potere colorante di un pigmento bianco, ed è la misura della sua capacità di aumentare, in virtù delle sue proprietà di scattering, la riflettanza di un mezzo assorbente (nero o colorato). Potere coprente e Trasparenza La definizione di potere coprente è basata su un supporto di contrasto bianco e nero sul quale viene applicato uno strato sottile (film) di pigmento. Lo spessore h del film applicato è determinato al punto in cui, ad un esame visivo, il contrasto di colore tra le due superfici scompare. Lo spessore del film (mm) che soddisfa questa condizione prende il nome di spessore coprente. Il suo reciproco, il potere coprente (mm-1 = m2/L), definisce l’area (m2) che può essere ricoperta con 1 L di tinta applicata.

41. Stabilità nei confronti di luce, condizioni ambientali (tempo atmosferico), calore e agenti chimici. Molti pigmenti subiscono variazioni di colore o di struttura se sottoposti a radiazioni intense o se esposti a condizioni ambientali estreme. I cambiamenti più noti sono l’ingiallimento, il chalking e la perdita di lucentezza (gloss). Tali processi coinvolgono reazioni fotochimiche nelle quali il pigmento agisce da catalizzatore o da reagente. I pigmenti inorganici sono chimicamente molto stabili, e sono tra i coloranti più stabili su scala assoluta. La degradazione del legante porta a perdita di lucentezza. Se il processo è così esteso da portare a rilascio del pigmento, si parla di chalking.

42. La resistenza di un pigmento alla luce e all’atmosfera dipende in genere da composizione chimica, struttura, difetti, dimensione e forma delle particelle, concentrazione del pigmento e, naturalmente, dal mezzo disperdente. La stabilità termica è di grande importanza nelle moderne tecniche coloranti. La resistenza di un pigmento al calore dipende principalmente dal legante e dalla durata del riscaldamento. La resistenza chimica dei pigmenti inorganici è in genere molto elevata. Una dispersione pigmento-legante è una sospensione prima che essa venga essiccata; in seguito al processo di essiccamento la dispersione è solida. Nei sistemi pigmento-legante valgono quindi i concetti e le leggi della chimica dei colloidi.

43. PIGMENTI BIANCHI Diossido di Titanio Il diossido di titanio, TiO2, si trova in natura nelle forme rutilo, anatasio e brookite. Le prime due forme sono prodotte industrialmente in grandi quantità, e sono usate come pigmenti e catalizzatori, nella produzione di materiali ceramici e per l’elettronica. Il diossido di titanio è di straordinaria importanza come pigmento bianco, per le sue proprietà di scattering (superiori a quelle di tutti gli altri pigmenti bianchi), la sua stabilità chimica e la sua totale mancanza di tossicità. E’ il pigmento inorganico più importante in termini di quantità prodotte annualmente (3.2 x 106 t prodotte nel 1995).

44. Proprietà del pigmento Potere di scattering Il potere di scattering è molto elevato, e dipende dalla dimensione delle particelle (è massimo a 0.2 m) e dalla lunghezza d’onda della luce: particelle con una dimensione  0.2 m diffondono maggiormente la luce di lunghezza d’onda minore, e danno quindi una tonalità leggermente azzurrata, mentre particelle più grandi conferiscono un tono giallognolo. Luminosità Il colore bianco dipende principalmente dal tipo di modificazione cristallina, dalla purezza e dalla dimensione delle particelle. La presenza di metalli di transizione di qualunque tipo ha effetto negativo sulla “bianchezza”, le condizioni di preparazione del pigmento sono quindi di estrema importanza. Dispersione La lucentezza viene ottenuta per macinazione intensiva e rivestimento del pigmento con composti organici, a seconda del campo di applicazione del pigmento.

45. Resistenza alla luce e agli agenti atmosferici Se l’usura avviene in assenza di ossigeno, o se il legante mostra scarsa permeabilità all’ossigeno (p.es. nella melamina – resina a base di formaldeide) si osserva un fenomeno di “ingrigimento”, che decresce con l’esposizione all’aria e in assenza di acqua. L’ossido di titanio è impiegato universalmnte, ed ha quasi completamente sostituito gli altri pigmenti bianchi. Gli usi principali sono i seguenti: Vernici e rivestimenti – sono sufficienti pochi micrometri per coprire completamente un substrato. Inchiostri per la stampa. I moderni processi di stampa operano a spessori coprenti < 10m, sono quindi necessari pigmenti finissimi con eccezionale potere schiarente: TiO2 è particolarmente utile per schiarire pigmenti colorati. Materiale plastico TiO2 è utilizzato per oggetti durevoli e non, quali giocattoli, automobili, mobili e pellicole per confezioni. Assorbe inoltre radiazioni UV con lunghezza d’onda < 415 nm, e protegge quindi gli oggetti pigmentati.

46. Fibre. I pigmenti a base di TiO2 conferiscono un’apparenza opaca alle fibre sintetiche, eliminando l’aspetto untuoso causato dalle loro proprietà traslucenti. Carta I pigmenti a base di TiO2 sono adatti per carta molto bianca che deve essere opaca e allo stesso tempo molto sottile (carta per posta aerea e carta sottile per la stampa) Altre aree di applicazione includono l’industria ceramica e degli smalti, la fabbricazione di cemento bianco e la colorazione di gomma e linoleum. Pigmenti a base di TiO2 trovano inoltre impiego nella produzione di prodotti solari (schermi UV), saponi, polveri cosmetiche, creme, pasta dentifricia, e nell’industria cosmetica in genere. Sono completamente atossici, biocompatibili con pelle e mucose, e si disperdono facilmente in soluzioni inorganiche ed organiche e leganti.

47. Schermi solari al diossido di titanio Particelle nanostrutturali di TiO2 (dimensione delle particelle di 5-50 nm) vengono utilizzate come filtri solari nell’industria cosmetica, per la protezione della pelle. Il TiO2 nanostrutturale è un efficace assorbitore delle radiazioni UV-B (280-320 nm) e UV-A (320-400 nm). A causa della piccola dimensione delle particelle il pigmento (e quindi la crema solare che lo contiene) è trasparente.

48. PIGMENTI COLORATI Ossidi e ossidi-idrossidi In molti pigmenti inorganici lantanidi e metalli di transizione sono responsabili del colore. Ossidi e ossido-idrossidi di metalli sono importanti, come pigmenti colorati, a causa delle loro proprietà ottiche, del basso costo e della facile reperibilità. Questi pigmenti possono essere a un solo componente o a fasi mescolate, e in tal caso il colore è ottenuto per incorporazione di cationi opportuni.

49. I materiali tipicamente impiegati nei dipinti degli Impressionisti. Dall’alto a sinistra: bianco di zinco, bianco di piombo, giallo limone (cromato di bario), giallo di Napoli (antimoniato di piombo), ocra gialla, arancio cromo (cromato basico di piombo) vermiglione, rosso, natural madder lake, lacca cremisi (cocciniglia), verde di Scheele (arsenito di rame), verde smeraldo (acetoarsenito di rame), viridana (ossido idrato di cromo), verde cromo (blu di Prussia/giallo cromo), blu ceruleo (stannato di cobalto), blu cobalto (alluminato di cobalto), oltremare sintetico, nero avorio (nero d’osso).

50. tavolozza di base tavolozza degli impressionisti colori ad effetto trasparente tavolozza dei maestri antichi