6. Hajoaminen ja valonkestävyys
Hiukkasten hajoamista ja niiden valonkestävyyttä koskevan tutkimuksen mukaan suuremmat, tiiviimmin aggregoituneet hiukkaset ovat yleensä valonkestävämpiä. Hiukkasten koon kasvaessa valolle altistumisen aiheuttama haalistumisnopeus vähenee. Suurilla hiukkasilla haalistumisnopeus korreloi hiukkasen säteen käänteisarvon (1/a^2) kanssa, mutta kun hiukkaset pienenevät, suhde muuttuu 1/a riippuvuudeksi. Erittäin pienillä hiukkasilla haalistumisnopeus on vähemmän riippuvainen koosta.
Fotonien vuorovaikutus
Kun UV-valo, joka koostuu fotoneista, osuu pigmenttihiukkaseen, fotonien energia joko absorboituu, hajaantuu tai läpäisee hiukkasen. Nämä fotonit kohtalo riippuu pääasiassa pigmenttihiukkasten koosta ja tulevan valon aallonpituudesta.
Suuret hiukkaset ja valonkestävyys
Suuremmat pigmenttihiukkaset osoittavat yleensä parempaa valonkestävyyttä, joka on aineen kykyä säilyttää värinsä valolle altistettaessa ajan myötä. Tähän on useita syitä.
Suuremmilla hiukkasilla on suurempi tilavuus, johon ne voivat jakaa fotonien imemän energian. Kuin kivenlohkare, johon osuu moukari, suurempi massa absorboi energian ja hajottaa sen, usein ei-tuhoavana lämpöenergiana (lämpönä). Tämä energian hajautuminen estää fotonien aiheuttamasta merkittäviä rakenteellisia muutoksia pigmenttimolekyyliin. Hajontatehokkuus. Valon hiukkasen hajonta on riippuvainen sen koosta suhteessa valon aallonpituuteen. Suuremmat hiukkaset ovat usein tehokkaampia hajottamaan valoa, mukaan lukien UV-valoa, laajemmalla spektrillä. Vähemmän energiaa absorboituu mihinkään tiettyyn kohtaan hiukkasen pinnalla, mikä vähentää valoindusoitua hajoamista - Pinta-ala-tilavuussuhde. Suuremmilla hiukkasilla on pienempi pinta-ala-tilavuussuhde verrattuna pienempiin hiukkasiin.
Tämä tarkoittaa, että on vähemmän pinta-alaa valon kanssa vuorovaikuttamiseen suhteessa aineen määrään, joka voi absorboida ja hajauttaa energian-resonanssi-ilmiöt. Erityisesti niillä pienillä hiukkasilla, joiden koko on UV-valon aallonpituuden luokkaa, resonanssi-ilmiöt voivat voimistaa valon absorptiota. Tämä voi johtaa energisempiin vuorovaikutuksiin, jotka voivat rikkoa kemiallisia sidoksia ja aiheuttaa hajoamista. Suuremmat hiukkaset ovat vähemmän alttiita näille resonanssi-ilmiöille niiden koon vuoksi, joka on paljon suurempi kuin UV-valon aallonpituus. Pienemmät hiukkaset ja lisääntynyt reaktiivisuus
Päinvastoin pienemmät hiukkaset, kuten pienet kivet analogiassa, omaavat vähemmän materiaalia fotonien energian absorbointiin. Ne ovat enemmän kuin hienoja maaleja, jotka kun UV-valon energiset fotonit osuvat, voivat murskautua tai hajota helpommin. Fotonien tuoma energia voi katkaista kemiallisia sidoksia helpommin, erityisesti jos hiukkasen koko resonoi UV-valon aallonpituuden kanssa. Tämä voi johtaa fotokemiallisiin reaktioihin, jotka muuttavat pigmentin kemiallista rakennetta, muuttaen sen väriä ja vähentäen sen valonkestävyyttä.
Näin ollen pigmenttihiukkasten valonkestävyys on vahvasti riippuvainen niiden koosta, suuremmat hiukkaset yleensä osoittavat suurempaa vastustuskykyä fotodegradaatiolle tehokkaamman energian jakelun, hajonnan ja alhaisempien pinta-ala-tilavuussuhteiden vuoksi. Nämä ominaisuudet tekevät suuremmista hiukkasista vähemmän reaktiivisia UV-valolle ja stabiilimpia säilyttämään värinsä ajan myötä.
Reaktiot tapahtuvat absorboitujen aallonpituuksien valossa Kun pigmenttihiukkanen absorboi valoa, valon energiaa ei aina emitoida uudelleen, vaan se voi siirtyä pigmentin sisällä oleville elektroneille. Tämä energian siirto voi herättää elektronit korkeampaan energiatilaan, mikä voi olla stabiili tai aiheuttaa reaktion, joka muuttaa pigmentin rakennetta. Tämän valoindusoidun hajoamisen todennäköisyyteen vaikuttavat pigmentin kemiallinen rakenne, sen sidostyyppi ja hiukkasten koko. Pienemmät hiukkaset todennäköisemmin absorboivat valon energiaa, joka osuu niiden resonanssitaajuuksiin, johtaen merkittävämpiin vuorovaikutuksiin ja potentiaaliseen hajoamiseen. Tämä ilmiö auttaa selittämään, miksi pienemmät hiukkaset saattavat osoittaa heikompaa valonkestävyyttä ja haalistuvat nopeammin valolle altistettaessa, erityisesti UV-valolle.
Hiukkasten koon, valon absorptioon ja valonkestävyyteen suhde on monimutkainen ja olennainen ymmärtääksemme pigmenttien vakauden valolle altistumisen alla. Hiukkasten koko vaikuttaa suoraan absorboituvien aallonpituuksien alueeseen ja näin määrittää, mitkä fotonireaktiot ovat todennäköisempiä tapahtuvan.
Hiukkasten koko on keskeinen rooli määriteltäessä väriaineiden fyysisiä ja kemiallisia ominaisuuksia.
Suuremmat hiukkaset omaavat erilaisia hajontominaisuuksia ja suuremman valonkestävyyden kuin pienemmät. On kaksi syytä siihen, miksi pienemmän kokoiset pigmenttihiukkaset kalpenevat nopeammin kuin samat väriaineet suuremmissa hiukkasissa.
Pienemmät pigmenttihiukkaset omaavat alhaisemman valonkestävyyden. Tämä johtuu siitä, että pienemmät hiukkaset omaavat suuremman pinta-alan suhteessa niiden tilavuuteen, mikä mahdollistaa enemmän vuorovaikutusta valon kanssa.
Hiukkasten koko vaikuttaa suoraan absorboituvien aallonpituuksien alueeseen ja näin määrittää, mitkä fotonireaktiot ovat todennäköisempiä tapahtuvan. Pienemmät hiukkaset absorboivat enemmän valon aallonpituuksia ja heijastavat vähemmän takaisin. Siinä syy siihen, miksi enemmän fotonireaktioita tapahtuu.