Maailm on värviline. See tõdemus on meile antud juba sünnihetkel, kuigi värvinägemine areneb tublisti edasi inimese esimestel elukuudel. Värvitaju oleneb nii välisest maailmast kui ka meie silma ehitusest. Siin peatume aga välismaailmal: millised omadused annavad asjadele värvuse?
Tekst: Jaak Kikas
Foto: Remo Savisaar
Värvused tekivad valguse vastastikmõjust asjadega. Valgus omakorda on vaid tilluke lõik elektromagnetkiirguse spektrist, mis ulatub raadiolainetest kõrgenergeetilise gammakiirguseni. Elektromagnetlainetuse oluline iseloomustaja on lainepikkus. Silmale on nähtav see osa elektromagnetkiirguse spektrist, mis jääb vahemikku 380 kuni 750 nanomeetrit, seda nimetamegi valguseks.
Kuigi lainepikkuse mõttes on tegu kitsa ulatusega, ei ole selle spektriosa kasutamine meie nägemises kaugeltki juhuslik. Just (ja ainult) selline valgus on võimeline käivitama keemilisi reaktsioone, sealhulgas neid, mis seisavad meie nägemistaju taga.
Värviline ja värvitu: millest see tuleb?
Valge valgus on liitvalgus, mis kätkeb võrdselt kõiki lainepikkusi. Välisilma kehad on värvilised seetõttu, et eri lainepikkusega valgus peegeldub, hajub või läheb neist läbi erinevalt. Kehad näivad meile värvituna, kuna nad peegeldavad eri lainepikkusega valgust või hajutavad samavõrra. Kehalt hajudes valge valgus üksnes nõrgeneb, aga vahekord selle eri lainepikkusega komponentide vahel jääb samaks. Teoreetilised piirsituatsioonid oleksid siin absoluutne peegeldaja ja absoluutselt must keha. Viimane neelaks kogu talle langeva valguse. Tegelike materjalide peegeldusvõime jääb aga vahemikku 0–100%.
Materjal peegeldab valgust tagasi seda paremini, mida suurem on selle murdumisnäitaja. Väga tuntud ja palju rakendust leidev valge aine on seetõttu titaandioksiid (TiO2), mida kasutatakse laialdaselt valgete värvide pigmendina, lisandina paberitööstuses ja nahakaitsekreemides UV-kiirguse vastu. Titaandioksiidi nanopulbrite hajumistegur (hajunud ja langeva valguse intensiivsuse suhe) võib ületada 99%.
Värvirohkus on vaataja silmades
Kui elektromagnekiirguse spekter on kiirguse omadus, mis ei olene vaatlejast, siis värvitaju oleneb suuresti vaataja silma omadustest. Inimsilmas on kolme tüüpi valgustundlikke närvirakke, mis reageerivad valguse spektri eri piirkondadele ehk eri lainepikkustele. Seetõttu öeldakse, et meie värvinägemine on kolmemõõtmeline.
Selline värvimaailm ei ole loomariigis mõistagi üldlevinud, teiste olendite värvitaju võib olla hoopis teistsugune: alates kasside suhteliselt tagasihoidlikust värvieristusest kuni väikeste vähikeste (lõugjalaliste seltsist) 12-mõõtmelise värvimaailmani. Selle tähelepanuväärse fakti puhul tasub siiski teada, et neil vähikestel on tosin eri tüüpi nägemisrakke ning omaette küsimus on, mida nende aju nägemisrakkudest lähtuva teabega peale hakkab. Mõne putuka spektraalne nägemisulatus võib haarata ka inimsilmale nähtamatut spektri ultravioletset piirkonda.
Keemilised lisandid pakuvad mänguruumi tehnoloogias
Rääkides kehade värvusest, peetakse harilikult silmas normaalsituatsiooni: olukorda, kus kehale langeb valge valgus. Tegelikud olukorrad võivad sellest mõistagi erineda (tehisvalgus siseruumides, välisvalgus eri kellaaegadel). Miks eri kehad (ained, materjalid) valgusele isemoodi reageerivad? Põhjusi võib olla mitu.
Läbipaistvate ainete (materjalide) värvust võivad põhjustada neis sisalduvad keemilised ühendid, mis neelavad valgust erinevalt. Tehnoloogias kasutatakse seda asjaolu klaaside värvimisel. Näiteks koobaltklaas on tugeva sinise värvusega selles sisalduvate koobaltiioonide tõttu.
Ent tuleb ette ka olukordi, kus materjale on vaja muuta värvituks. Nii on see näiteks optilises sides kasutatavate valgust juhtivate kaablite korral. Harilik aknaklaas on läbipaistev. Kui klaasplaati aga servast vaadelda, märkate kaunis tugevat rohekat tooni. Põhjuseks on looduslikus klaasiliivas sisalduvad rauaioonid. Selline klaas kiudoptilisse kaablisse ei sobi. Seal kasutatav klaas on valmistatud erimenetlusega, mis muudab klaaskiu läbipaistvaks (värvituks) kümnete kilomeetrite ulatuses.
Läbipaistmatute kehade värvus tuleneb neilt hajuva valguse spektraalse koostise muutusest. Ka see võib erineda langeva valge valguse omast, põhjuseks jällegi aines sisalduvad valgust neelavad lisandid. Nõnda on taimede roheline värvus tingitud neis sisalduva klorofüllimolekuli neeldumisspektrist.
Ajalooliselt ammu tuntud menetlus on riidevärvimine. Selline teisenemine eeldab siiski, et valgus saaks enne tagasihajumist materjalis veidi levida. Kui te näiteks hakkate jahvatama värvilist klaasi, saate õige pea valge pulbri: valgus hajub peeneteraliselt pulbrilt tagasi, enne kui eriti neelduda jõuab.
Neoonvärvide korral neelatakse lühemalainelist ja kiiratakse tagasi pikemalainelist valgust, tulemus on erksad ja intensiivsed värvitoonid. Samal põhimõttel töötavad nn optilised pesuvalgendid. Klassikalise pesuvalgendi (sine) korral püütakse riide kollakat tooni (neelab rohkem sinist valgust ja hajutab seda vähem tagasi) peita, suurendades kollakaspunase spektriosa neeldumist. Moodsates pesupulbrites sisalduvad optilised valgendid aga kiirgavad sinist valgust veel lühemate lainepikkuste tõttu. Sellise pulbriga pestud pesult hajuv valge valgus jääb valgeks.
Küllap on lugeja pannud tähele mõne putuka eriti intensiivseid (küütlevaid) värvitoone. Selle taga peituvad optilised efektid, mis on seotud looma kehapinna erilise ehitusega. See lubab tõhusalt peegeldada kindla lainepikkusega valgust. Säärased struktuurid pakuvad suurt huvi ka tehnoloogias: need annavad võimaluse valgusega manipuleerida (optilised metamaterjalid).
Ka värvus muutub
Materjalide värvus võib ajapikku muutuda, olulist mõju avaldavad keskkonnaolud. Tuntud protsess on pleekumine, kus intensiivse (päikese)valguse käes oleva materjali värvus kaotab aja jooksul oma esialgse erksuse. Niisuguse protsessi põhjus on materjalis valguse mõjul toimuvad fotokeemilised reaktsioonid.
Mõnikord võib selliste reaktsioonide tulemus olla vastupidine. Kasulik näide on päikesevalguse mõjul tumenenud prilliklaasid. Ühtlasi leidub valguse mõjul värvuvaid plasthelmeid, mille abil on põnev tutvustada valguse toimet.
Omaette teema on värvuste täpne kuvamine. Inimsilma tarbeks ei ole tähtis reprodutseerida kogu kehalt hajuva valguse spektrit. Piisab, kui kokku langeb kolm spektraalset keskmist. Tuntud näide on see, kuidas sinine ja kollane toon annavad ilusa rohelise. Aga samalaadse rohelise tooni annaks meile ka monokromaatne valgus lainepikkusega 530 nm – roheline laserpliiats. Selline inimsilma omadus teeb tohutult lihtsamaks nii värvifotograafia kui ka telerite (üldiselt kõigi kuvarite) konstrueerimise. Arvutite värvimudelis saab kõiki värvusi kirjeldada R(ed)G(reen)B(lue) arvukolmikuga, kus neil parameetritel on arvulised väärtused vahemikus 0–255, moodsamates digikuvaseadmetes on see väärtusvahemik märksa laiem.
Niisiis, meie maailm on värviline. „Tolmust ja värvidest saavad uued liblikad ..,“ on öelnud luuletaja ja kirjanik Jaan Kaplinski. Värvused annavad meile lisamõõtme, mille abil ümbritsevat kirjeldada ja mõista.
Jaak Kikas (1949) on füüsik, Tartu ülikooli emeriitprofessor.
- Tartes, Urmas 2021. Liblikatiibades leiduv süvamust värvus võimaldab kvaliteetsemaid optilisi seadmeid. − Postimees, 21.04.2021.