Сажа — черная, сера — желтая, окрас некоторых змей синий, а дубовый лист — зеленый. Чтобы понять, почему мы живем в красочной, а не монохромной Вселенной, химики изучают удивительные процессы, происходящие в микромире. Ведь пространство вокруг нас окрашено в разные цвета только благодаря особым свойствам атомов и молекул.
Сокровище, подаренное природой морской улитке Murex brandaris, на первый взгляд выглядит омерзительно. Это отвратительного вида бесцветная слизь, которую выделяет одна из желез, расположенная рядом с дыхательным органом улитки. Но стоит этой слизи хотя бы на несколько минут оказаться под солнечными лучами, как она сначала становится светло-зеленой, потом приобретает цвет морской волны, а затем начинает переливаться лазурью. И наконец окрашивается в магический, пронзительный фиолетовый цвет — иногда красноватого оттенка, иногда глубокий и темный. Это пурпур — драгоценный краситель, который испокон веков стоит дороже золота. Одеяния такого цвета были символом власти императоров, королей и кардиналов. Чтобы окрасить всего один предмет одежды эссенцией из слизи брюхоногих моллюсков, нужно было добыть десятки тысяч улиток.
Многие века никакая другая краска не могла сравниться с пурпуром ни по долговечности, ни по блеску и великолепию. Сегодня эту «королевскую» субстанцию — 6,6"-диброминдиго — любой может заказать через интернет. Но стоит пурпур по-прежнему баснословно дорого: около 2440 евро за один-единственный грамм. Для простого органического соединения это огромные деньги. Столь высокая цена лишний раз доказывает, насколько важную роль играет цвет в жизни человека.
Он привлекает внимание, влияет на самочувствие, несет в себе информацию. Цвет растений сигнализирует о том, съедобны они или нет, а необычно яркий или экзотический окрас животных предупреждает человека: осторожно, яд! Особым разнообразием и причудливостью оттенков отличаются змеи. Они могут быть всех цветов спектра, их тела покрыты разнообразными узорами — от продольных и поперечных полосок до ромбов и сложнейших многоцветных орнаментов. Чтобы сбить с толку врагов и защитить себя, некоторые неядовитые виды змей в ходе эволюции приобрели такой же окрас, как и ядовитые.
Мы живем в мире, где цвета имеют огромное значение. Но при этом, как это ни удивительно, человеку трудно их распознавать. К примеру, спелая вишня вроде бы налита красным соком. Но в голубом свете она кажется иссиня-черной. Да и без особых экспериментов понятно, что цвет — понятие субъективное, ведь для тех, кто не отличает красный от зеленого, и спелая, и незрелая вишня выглядят одинаково. Не только человек, но и многие животные видят мир расцвеченным, но совершенно по-разному. Собаки различают желтый, зеленый и синий, но не видят красного. А пчелы и другие насекомые способны улавливать невидимое человеческому глазу ультрафиолетовое излучение.
Распознавание цвета людьми зависит и от культуры, к которой они принадлежат. Например, русские, в отличие от англичан, разделяют синий и голубой. То есть в одной культуре некоторые краски считаются оттенками одного и того же цвета (голубой — синий), а в другой воспринимаются как разные цвета.
Цветовое многообразие мира рождается главным образом в голове человека. Рецепторы в глазу преобразуют световые сигналы в своеобразный код, который затем расшифровывается мозгом и превращается в цветную картинку, хотя порой она вводит в заблуждение (этот феномен называется «оптическим обманом»). Но все же цвет нельзя назвать исключительно продуктом воображения. Органы зрения способны воспринимать совершенно реальные свойства материи. Они «знают» о том, что разные субстанции по-разному реагируют на свет. Переливающаяся палитра радуги рождается из поразительного взаимодействия солнечного света, капель дождя и зрительного аппарата человека. Как заметил великий немецкий поэт Иоганн Вольфганг Гёте, «цвета — это деяния света».
Но что же происходит, когда свет встречается с материей? Почему все субстанции реагируют на солнечные лучи по-своему? Почему стекло и вода пропускают их почти беспрепятственно и кажутся бесцветными, а уголь, деготь и графит практически полностью поглощают направленный свет и выглядят черными?
И почему какая-то расцветка кажется нам великолепной, а другая невзрачной?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять природу химических и физических процессов, благодаря которым возникают цвета.
Часть ответа кроется в природе света. Физики описывают свет как волну, которая движется в пространстве — точно так же, как морские волны. В спектре видимого излучения длина волны — то есть расстояние между вершинами двух смежных волн — крайне мала и составляет меньше одной миллионной метра (обычно ученые указывают длину световых волн в миллиардных долях метра — нанометрах). Человеческий глаз улавливает лишь определенную часть спектра электромагнитного излучения: на нижней границе спектра находится фиолетовый цвет, длина его волны составляет 380 нанометров. Далее следуют синий, зеленый, желтый и оранжевый. А у верхней границы — красный цвет с длиной волны 780 нанометров.
Излучения, длина волны которых находится за пределами этого спектра, человеческий глаз не воспринимает. Мы не видим ни ультрафиолетовый свет с длиной волны менее 380 нанометров, ни инфракрасное излучение (длина волны — больше 780 нанометров). Особенно интенсивным человеку кажется свет с одинаковой длиной волны — например, красные и зеленые лучи лазерного сканера в супермаркете.
Но в повседневной жизни наш глаз крайне редко воспринимает свет, который состоит из волн одинаковой длины. В основном мы видим множество волн разной длины — например, свет лампы накаливания или солнца. Но если ухо способно вычленить отдельные звуки из мелодии, которую играет оркестр, то глаз определить длину волны отдельного светового луча не может. Из любого сочетания световых волн разной длины мозг формирует одно общее цветовое ощущение. Он интерпретирует полученную информацию, следуя поразительным правилам: к примеру, когда глаз человека одновременно «ловит» свет красной и зеленой лампы, то он видит не красно-зеленое мерцание, а желтый цвет. Сочетание темно-синего и зеленого света представляется нам бирюзовым, а красный и синий смешиваются в яркий пурпур. А если на сетчатку глаза упадут все волны видимого спектра, то вместо беспорядочной пестроты человек увидит белое. Именно поэтому нам кажется белым свет солнца, хотя на самом деле он состоит из множества световых волн разной длины. В этом можно убедиться, если посмотреть, как солнечный свет преломляется в капле воды или треугольной стеклянной призме, распадаясь на составляющие его световые волны разной длины и окрашиваясь в цвета радуги — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. По такому же принципу «аддитивного сочетания цветов» работают технические приборы, которые излучают свет, — лампы, кинескопы, проекторы.
В телевизорах и мониторах используются красные, зеленые и синие пиксели, излучающие свет с разной интенсивностью, — так возникают почти 17 миллионов разных цветов. Световые волны являются носителями всех цветов; в солнечных лучах таятся все без исключения оттенки. Но если бы свет солнца — «букет» из световых волн различной длины — отражался от всех вещей вокруг нас (то есть материя отражала бы весь спектр излучения), то мир был бы почти белым. Только благодаря особенным свойствам атомов и молекул, из которых состоит материальный мир, он становится разноцветным. Крохотные кирпичики материи поглощают часть света, с которым соприкасаются, и словно фильтруют его, меняя состав излучения.
Так, красная акварельная краска поглощает цвета спектра от синего до зеленого. Ее пигменты отражают только длинноволновый красный свет, который и виден глазу. Зеленая акварель, наоборот, поглощает коротковолновые синие и длинноволновые красные оттенки, отражая лишь зеленую часть спектра. Если же смешать красную и зеленую акварель, то соединенные друг с другом пигменты поглотят все части видимого спектра. В принципе подобное сочетание должно казаться черным, но на самом деле получается скорее грязно-коричневый цвет. Такой неопределенный оттенок возникает из-за того, что абсорбция (поглощение света) в акварельных красках и других красителях никогда не бывает полной — некоторые световые лучи пусть слабо, но все-таки отражаются.
Чем больше пигментов смешано в краске, тем больше световых волн она поглощает и тем темнее и чернее будет ее цвет.
Что такое абсорбция и почему некоторые субстанции поглощают часть света, а другие нет? Чтобы выяснить это, нужно заглянуть в нанокосмос — необыкновенный мир, где порой действуют весьма странные законы.
За абсорбцию видимого света отвечают электроны — отрицательно заряженные частицы, которые, повинуясь сложнейшим физическим законам, вращаются вокруг положительно заряженных ядер атомов, создавая для них своего рода оболочку. Ее можно сравнить с многоквартирным домом, нижние этажи которого полностью «заселены» электронами, а на верхних имеется «свободная жилплощадь». В обычной ситуации электроны не могут покидать свои этажи и свободно перемещаться по всему дому. Но когда на оболочку атома падает свет, электроны начинают взаимодействовать с ним. Некоторые из них используют световую энергию, чтобы перескочить на более свободный и высокий этаж — свет словно выталкивает их туда. Химики в этом случае говорят о «возбужденных электронах». Но это происходит лишь тогда, когда свет обладает именно тем количеством энергии, которое необходимо для изменения местоположения конкретной частицы. Если же энергии слишком много или слишком мало, то ничего не произойдет — электрон останется на своем этаже, излучение почти беспрепятственно пройдет сквозь материю, и она останется практически бесцветной.
Такие феноменальные свойства присущи субстанциям, чьим электронам нужно очень много энергии, чтобы прийти в движение, — воде, кислороду и азоту, кварцу и алмазу. Но многие вещества реагируют на свет иначе. Электроны в них под воздействием световой энергии на доли секунды поднимаются на более высокий этаж, но потом падают обратно, теряя полученную энергию. В частности, потому, что она немного обогревает «здание», то есть повышает температуру вещества. Таким образом абсорбированные световые лучи исчезают из освещенного спектра, а оставшаяся, непоглощенная часть излучения наделяет материю цветом. Особенно отчетливо это проявляется в угле и дегте. Их электроны приходят в движение от излучения всего цветового спектра и целиком превращают полученную энергию в тепло, не излучая света. Поэтому уголь и деготь кажутся черными и нагреваются быстрее, чем бумага и светлый песок, отражающие большую часть света.
Мириады других субстанций, поглощая волны определенной длины и превращая их в невидимое тепло, расцвечивают окружающую среду во все мыслимые цвета.
Кровь потому и выглядит красной, что электроны в гемоглобине — железосодержащем пигменте — поглощают зеленую и синюю части видимого спектра. Поскольку электроны железа сидят на своих этажах «на чемоданах», свет легко приводит их в движение. Вообще многие красители обретают свой характерный цвет именно благодаря металлам. Например, распространенный с XIX века желтый краситель становится таким благодаря кадмию, ртуть придает насыщенность пигменту красной киновари, а хлорофилл, окрашивающий листья растений в зеленый, содержит магний.
О том, насколько интенсивность цвета зависит от металлов, можно судить по рубину — драгоценному кристаллу, одному из разновидностей минерала корунд. Его кристаллы в основном состоят из алюминия и кислорода. Они прозрачны и не очень ценятся как ювелирные украшения. Но в редких случаях каждый сотый атом алюминия в кристалле замещается атомом хрома. И этого вкрапления достаточно, чтобы превратить бесцветное вещество в красный рубин, заставив его мерцать и переливаться. А если вместо хрома к корунду примешиваются частички титана и железа, то он начинает мерцать голубым и превращается в драгоценный сапфир.
Внешний вид живой природы тоже зависит от изменений в структуре материи. Например, растительные пигменты в соединениях, окрашивающих лепестки цветов, нередко состоят из молекул, в которых множество атомов углерода, кислорода и водорода объединены в кольца и цепочки. Малейшие изменения в таких органических молекулах красящего вещества могут привести к тому, что лепестки начнут поглощать совершенно другую часть видимого спектра.
Такие метаморфозы можно наблюдать, пытаясь отмыть мылом пятно от красной капусты. Сначала оно станет красно-фиолетовым, затем синим, а потом бледно-желтым. За эту «игру цвета» отвечает биологический краситель цианидин, который относится к группе антоцианов. Если молекула цианидина взаимодействует с щелочью, содержащейся в мыле, то от нее отщепляется один ион водорода. Этого достаточно, чтобы превратить красно-фиолетовый пигмент в синий. А если продолжить стирку — усиливая взаимодействие цианидина с щелочью, — то пятно из синего станет желтым.
Благодаря антоцианам получают свою окраску многие растения. Именно эти красители делают розу алой, герань — нежно-розовой, а чернику — темно-синей. Правда, в отличие от цветных кристаллов, большинство природных красителей не очень устойчивы. Ультрафиолетовое излучение и содержащийся в воздухе кислород меняют молекулы растений. Зеленый краситель листьев хлорофилл, который необходим для фотосинтеза, постоянно распадается, и растениям приходится вырабатывать его вновь и вновь.
Листья многих растений содержат и другие красители — гораздо более стойкие, чем хлорофилл. Например, желтовато-оранжевый каротин. Он появляется только осенью, когда деревья перестают вырабатывать хлорофилл. Тогда с листьев исчезает зеленый цвет и становится виден более стойкий каротин, который и окрашивает их по-осеннему.
Поскольку природные красители недолговечны, человек долгое время не мог научиться делать стойкие краски. Лишь немногие растения в состоянии сохранять устойчивый цвет. Среди них — индиго, пигмент индигоферы красильной, которую до сих пор используют для окраски джинсов в синий цвет, и тот же пурпур, который получают из слизи улиток семейства Murex.
Чтобы закрепить цвет на ткани, человеку пришлось изобрести сложные и вредные для природы технологии: в растворы красителей стали добавлять ядовитые соли металлов. Лишь в середине девятнадцатого века британский химик Уильям Перкин получил большое количество искусственного красителя нежно-лилового цвета с сиреневым оттенком, который химик назвал мовеином (от французского mauve — «мальва»), Перкин обнаружил это вещество случайно, когда, пытаясь получить хинин — лекарство от малярии, проводил эксперименты с одним из продуктов коксования каменного угля. Из 49 килограммов угля получалось не больше семи граммов мовеина, но угля, в отличие от улиток Murex, необходимых для производства пурпура, было сколько угодно, и Перкин запатентовал промышленный метод получения лиловой краски. Это открытие положило начало химической промышленности. Около десяти лет мовеин был в большой моде, а потом химикам удалось получить и другие искусственные красители всевозможных оттенков.
В наши дни производство красителей — крайне доходный бизнес: совокупная прибыль предприятий этой отрасли по всему миру составляет пятнадцать миллиардов евро в год.
Но некоторые природные оттенки цвета химики не могут воспроизвести до сих пор. Нет такого лака, который бы в точности повторял перламутрово-синюю окраску колибри или перьев фазана. И никакой краситель не может переливаться зеленокрасными тонами, как крылья некоторых бабочек и жуков. Дело в том, что их причудливая расцветка зависит не от химического состава, а от наноструктуры — то есть от того, как атомы и молекулы сгруппированы в пространстве. Неудивительно, что химики хотят научиться как можно точнее воспроизводить сложную игру света. Их цель — создать новое поколение красок, которые будут сверкать так же великолепно, как перья фазана, и не поблекнут со временем.
(с) Уте Кезе