Strona głównaPytania → Jak i dlaczego zmienia się...

Jak i dlaczego zmienia się kolor danej substancji wraz z jej rozdrobnieniem?

Pytanie

Pyta Mariusz

Jak i dlaczego zmienia się kolor danej substancji wraz z jej rozdrobnieniem? Np. dlaczego nanocząstki złota w zależności od rozmiarów i kształtów mają odmienne kolory? Rozmiar cząstek wpływa na poziomy energetyczne elektronów?

Odpowiedź

Odpowiada Piotr Wasylczyk

Odpowiedź na to pytanie zależy od tego, o jakiej substancji mówimy i o jakim „rozdrobnieniu”. Kryształek cukru jest przezroczysty, a cukier puder — biały. Tutaj kluczowe jest rozpraszanie światła — duży kryształ przepuszcza światło widzialne, ale kiedy kryształki stają się małe, w szczególności ich rozmiary stają się porównywalne z długością fali światła, jest ono wielokrotnie rozpraszane na takich drobinach i to rozpraszanie decyduje o tym, jaki kolor takiego „proszku” widzimy. Tak jest w przypadku dielektryków, czyli izolatorów.

Jeśli chodzi o metale, sprawy mają się inaczej. Tutaj w materiale mamy swobodne elektrony (dlatego właśnie metale przewodzą prąd), które nie pozwalają fali świetlnej wnikać w głąb materiału — dlatego metale nie są przezroczyste (przynajmniej w obszarze widzialnym, dla krótszych fal może być inaczej). W dużym kawałku metalu fala elektromagnetyczna może pobudzić do drgań jedynie elektrony znajdujące się bardzo blisko powierzchni. Z kolei w bardzo małych, dużo mniejszych od długości fali światła, drobinach metali zachodzi tak zwany rezonans plazmonowy: padające światło wzbudza tu drgania swobodnych elektronów w całej objętości metalu. Okazuje się, że częstość z którą najłatwiej jest wzbudzić drgania elektronów (częstość rezonansowa) zależy od rozmiaru drobiny. W efekcie również zakres częstości światła (czyli barw), które są wydajnie absorbowane w takich nanocząstkach (o rozmiarach rzędu 100-10 nm), zależy od wielkości drobin i dlatego ich kolor zmienia się z rozmiarem.

Zjawisko to było od bardzo dawna wykorzystywane, na przykład do otrzymywania kolorowych szkieł, używanych w witrażach. Oczywiście w średniowieczu nikt nie wiedział, że za kolory szkła odpowiadają rezonanse w nanocząstkach złota zawieszonych w szkle…