Χρωστική

Η χρωστική είναι υλικό το οποίο αλλάζει το χρώμα του φωτός το οποίο αντανακλά ως αποτέλεσμα της απορρόφησης συγκεκριμένων μηκών κύματος. Αυτή η φυσική διαδικασία διαφέρει από τον φθορισμό, τον φωσφορισμό και άλλες μορφές φωταύγειας, στις οποίες το υλικό εκπέμπει φως.

Πολλά υλικά έχουν την ικανότητα να απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Τα υλικά τα οποία ο άνθρωπος επέλεξε να χρησιμοποιήσει ως χρωστικές συνήθως έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες που τα καθιστούν κατάλληλα για να χρωματίσουν άλλα υλικά. Μια χρωστική πρέπει να έχει υψηλή δύναμη χρωματισμού και να είναι στερεή σε φυσιολογικές θερμοκρασίες. Για βιομηχανικές, καθώς και για καλλιτεχνικές χρήσεις, η μονιμότητα και η σταθερότητα είναι επιθυμητές ιδιότητες.

Οι χρωστικές χρησιμοποιούνται για να δώσουν χρώμα σε βαφές, στο μελάνι, στα πλαστικά, στα υφάσματα, στο φαγητό και άλλα υλικά.

 Ιστορία 
Τα ορυκτά χρησιμοποιούνται ως χρωστικές από την προϊστορική εποχή.  Οι πρώτοι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν το χρώμα για αισθητικούς σκοπούς, όπως η διακόσμηση του σώματος. Χρωστικές ουσίες και εξοπλισμός λείανσης χρωμάτων που πιστεύεται ότι είναι μεταξύ 350.000 και 400.000 ετών, έχουν βρεθεί σε μια σπηλιά στο Twin Rivers, κοντά στη Λουσάκα της Ζάμπιας. Η ώχρα, το οξείδιο του σιδήρου, ήταν το πρώτο χρώμα της βαφής.  Μια αγαπημένη μπλε χρωστική προήλθε από το λάπις λάζουλι. Οι χρωστικές που βασίζονται σε ορυκτά και αργίλους φέρουν συχνά το όνομα της πόλης ή της περιοχής όπου εξορύχθηκαν αρχικά. Για παράδειγμα, η ακατέργαστη σιένα και η καμένη σιένα προήλθαν από τη Σιένα της Ιταλίας, ενώ το ακατέργαστο Ούμπριο προήλθε από την Ούμπρια. Αυτές οι χρωστικές ήταν από τις πιο εύκολες στη σύνθεση και οι χημικοί δημιούργησαν μοντέρνα χρώματα, με βάση τα πρωτότυπα. Αυτά ήταν πιο συνεπή από τα χρώματα που εξάγονταν από τα αρχικά σώματα μεταλλεύματος, αλλά τα τοπωνύμια παρέμειναν. Επίσης, σε πολλές σπηλαιογραφίες της Παλαιολιθικής και Νεολιθικής υπάρχει η κόκκινη ώχρα, το άνυδρο Fe2O3 και η ένυδρη κίτρινη ώχρα (Fe2O3.H2O). Ο άνθρακας, ή ο αιθάλης, χρησιμοποιείται επίσης ως μαύρη χρωστική ουσία, από την προϊστορική εποχή. 

Η πρώτη γνωστή συνθετική χρωστική ουσία ήταν το αιγυπτιακό μπλε, το οποίο μαρτυρείται για πρώτη φορά σε ένα αλαβάστρινο μπολ στην Αίγυπτο που χρονολογείται στη Naqada III (περίπου 3250 π.Χ.). Lorelei H. Corcoran, "The Color Blue as an 'Animator' in Ancient Egyptian Art", in Rachael B.Goldman, (ed.), Essays in Global Color History: Interpreting the Ancient Spectrum (New Jersey: Gorgias Press, 2016), pp. 59–82.  Το αιγυπτιακό μπλε (πυριτικό χαλκό ασβεστίου CaCuSi4O10) παρασκευάζεται με θέρμανση ενός μείγματος χαλαζιακής άμμου, ασβέστη, μιας ροής και μιας πηγής χαλκού, όπως ο μαλαχίτης.  Εφευρέθηκε ήδη στην Προδυναστική περίοδο της Αιγύπτου, αλλά η χρήση του έγινε ευρέως διαδεδομένη από την 4η Δυναστεία.  Ήταν η κατεξοχήν μπλε χρωστική ουσία της ρωμαϊκής αρχαιότητας. Τα τεχνολογικά του ίχνη εξαφανίστηκαν κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα, μέχρι την εκ νέου ανακάλυψή του στο πλαίσιο της αιγυπτιακής εκστρατείας και των ανασκαφών στην Πομπηία και το Ερκουλάνο.  Οι μεταγενέστερες προμοντέρνες συνθετικές χρωστικές περιλαμβάνουν τον λευκό μόλυβδο (βασικός ανθρακικός μόλυβδος, (PbCO3)2Pb(OH)2),  το βερνίκι και ο μόλυβδος-κασσίτερος-κίτρινο. Το ινδικό κίτρινο κάποτε παρήχθη συλλέγοντας τα ούρα των βοοειδών, που είχαν τραφεί μόνο με φύλλα μάνγκο.  Ολλανδοί και Φλαμανδοί ζωγράφοι του 17ου και 18ου αιώνα το ευνοούσαν για τις φωτεινές του ιδιότητες και το χρησιμοποιούσαν συχνά για να αναπαραστήσουν το φως του ήλιου.  Δεδομένου ότι τα φύλλα μάνγκο είναι διατροφικά ανεπαρκή για τα βοοειδή, η πρακτική της συγκομιδής του ινδικού κίτρινου τελικά κηρύχθηκε απάνθρωπη.  Οι σύγχρονες αποχρώσεις του ινδικού κίτρινου είναι κατασκευασμένες από συνθετικές χρωστικές. 

Λόγω του κόστους του λάπις λάζουλι, χρησιμοποιήθηκαν συχνά υποκατάστατα. Το μπλε της Πρωσίας, η παλαιότερη σύγχρονη συνθετική χρωστική ουσία, ανακαλύφθηκε τυχαία το 1704.  Στις αρχές του 19ου αιώνα, οι συνθετικές και οι μεταλλικές μπλε χρωστικές περιελάμβαναν τη γαλλική μπλε μαρίν, μια συνθετική μορφή λάπις λάζουλι. Το μπλε μαρίν κατασκευάστηκε με επεξεργασία πυριτικού αλουμινίου με θείο. Εισήχθησαν επίσης διάφορες μορφές κοβαλτίου και μπλε της Σερουλέας. Στις αρχές του 20ου αιώνα παρασκευάστηκε το Phthalo μπλε, μια συνθετική μεταλλο-οργανική χρωστική ουσία. Ταυτόχρονα, το Βασιλικό μπλε, ένα άλλο όνομα που δόθηκε κάποτε στις αποχρώσεις που παράγονται από λάπις λάζουλι, έχει εξελιχθεί για να σημαίνει ένα πολύ πιο ανοιχτό και φωτεινό χρώμα και συνήθως αναμιγνύεται από Phthalo μπλε και διοξείδιο του τιτανίου ή από φθηνές συνθετικές μπλε βαφές.

Η ανακάλυψη το 1856 της mauveine, της πρώτης βαφής ανιλίνης, ήταν ο πρόδρομος για την ανάπτυξη εκατοντάδων συνθετικών χρωστικών και χρωστικών, όπως οι αζω και οι διαζω ενώσεις. Αυτές οι βαφές οδήγησαν στην άνθηση της οργανικής χημείας, συμπεριλαμβανομένων συστηματικών σχεδίων χρωστικών. Η ανάπτυξη της οργανικής χημείας μείωσε την εξάρτηση από τις ανόργανες χρωστικές. 

 Οικονομική επίδραση 

Το 2006, περίπου 7,4 εκατομμύρια τόνοι ανόργανων, οργανικών και ειδικών χρωστικών διατέθηκαν στην αγορά παγκοσμίως.  Εκτιμάται σε περίπου 14,86 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2018 και θα αυξηθεί σε πάνω από 4,9% από το 2019 έως το 2026.  Η παγκόσμια ζήτηση για χρωστικές ήταν περίπου 20,5 δολάρια ΗΠΑ δισεκατομμύρια το 2009.  Σύμφωνα με μια έκθεση του Απριλίου 2018 από το Bloomberg Businessweek, η εκτιμώμενη αξία της βιομηχανίας χρωστικών σε παγκόσμιο επίπεδο είναι 30 δισ. δολάρια. Η αξία του διοξειδίου του τιτανίου, που χρησιμοποιείται για την ενίσχυση της λευκής φωτεινότητας πολλών προϊόντων, τοποθετήθηκε στα 13,2 δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως, ενώ το κόκκινο χρώμα της Ferrari εκτιμάται στα 300 εκατομμύρια δολάρια κάθε χρόνο. 

 Φυσικές αρχές 

μικρογραφία|Μια μεγάλη ποικιλία μηκών κύματος (χρώματα) συναντά μια χρωστική ουσία. Αυτή η χρωστική ουσία απορροφά το κόκκινο και το πράσινο φως, αλλά αντανακλά το μπλε, δίνοντας στην ουσία μια μπλε εμφάνιση.
Όπως όλα τα υλικά, το χρώμα των χρωστικών προκύπτει, επειδή απορροφούν μόνο ορισμένα μήκη κύματος ορατού φωτός. Οι ιδιότητες σύνδεσης του υλικού καθορίζουν το μήκος κύματος και την αποτελεσματικότητα της απορρόφησης φωτός. Thomas B. Brill, Light: Its Interaction with Art and Antiquities, Springer 1980, p. 204 Το φως άλλων μηκών κύματος ανακλάται ή σκεδάζεται. Το ανακλώμενο φάσμα φωτός ορίζει το χρώμα που παρατηρούμε.

Η εμφάνιση των χρωστικών είναι ευαίσθητη στο φως της πηγής. Το ηλιακό φως έχει υψηλή θερμοκρασία χρώματος και αρκετά ομοιόμορφο φάσμα. Το φως του ήλιου θεωρείται πρότυπο για το λευκό φως. Οι τεχνητές πηγές φωτός είναι λιγότερο ομοιόμορφες.

Οι χρωματικοί χώροι, που χρησιμοποιούνται για την αριθμητική αναπαράσταση των χρωμάτων, πρέπει να προσδιορίζουν την πηγή φωτός τους. Οι εργαστηριακές μετρήσεις χρώματος, εκτός εάν σημειώνεται διαφορετικά, υποθέτουν ότι η μέτρηση καταγράφηκε κάτω από μια πηγή φωτός D65 ή "Daylight 6500 K", που είναι περίπου η θερμοκρασία χρώματος του ηλιακού φωτός.
μικρογραφία|400x400εσ|Το φως του ήλιου συναντά τη χρωστική Rosco R80 "Primary Blue". Το γινόμενο του φάσματος πηγής και του φάσματος ανάκλασης της χρωστικής έχει ως αποτέλεσμα το τελικό φάσμα και την εμφάνιση μπλε.

Άλλες ιδιότητες ενός χρώματος (όπως ο κορεσμός ή η ελαφρότητά του) μπορούν να προσδιοριστούν από τις άλλες ουσίες, που συνοδεύουν τις χρωστικές. Τα συνδετικά και τα πληρωτικά μπορούν να επηρεάσουν το χρώμα.

 Κατασκευαστικά και βιομηχανικά πρότυπα 

μικρογραφία|Φυσική χρωστική ουσία ultramarine σε μορφή σκόνης
μικρογραφία|Η συνθετική χρωστική ουσία ultramarine είναι χημικά πανομοιότυπη με τη φυσική ultramarine
Πριν απ' την ανάπτυξη των συνθετικών χρωστικών, και την τελειοποίηση των τεχνικών για την εξαγωγή ορυκτών χρωστικών, οι παρτίδες χρώματος ήταν συχνά ασυνεπείς. Με την ανάπτυξη μίας σύγχρονης βιομηχανίας χρωμάτων, κατασκευαστές κι επαγγελματίες έχουν συνεργαστεί, για τη δημιουργία διεθνών προτύπων για τον εντοπισμό, την παραγωγή, τη μέτρηση και τη δοκιμή χρωμάτων.

Το χρωματικό σύστημα Μάνσελ, έγινε το θεμέλιο για μία σειρά μοντέλων χρωμάτων, παρέχοντας αντικειμενικές μεθόδους, για τη μέτρηση του χρώματος. Δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1905. Το σύστημα Μάνσελ περιγράφει ένα χρώμα σε τρεις διαστάσεις, απόχρωση, τιμή (ελαφρότητα) και χρώμα (καθαρότητα χρώματος), όπου το χρώμα είναι η διαφορά από το γκρι, σε μία δεδομένη απόχρωση και τιμή.

Στα μέσα του 20ου αιώνα, ήταν διαθέσιμες τυποποιημένες μέθοδοι για τη χημεία των χρωστικών, μέρος ενός διεθνούς κινήματος για τη δημιουργία τέτοιων προτύπων στη βιομηχανία. Ο Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης (ISO) αναπτύσσει τεχνικά πρότυπα, για την κατασκευή χρωστικών και βαφών. Τα πρότυπα ISO ορίζουν διάφορες βιομηχανικές και χημικές ιδιότητες και τον τρόπο δοκιμής γι' αυτές. Τα βασικά πρότυπα ISO, που σχετίζονται μ' όλες τις χρωστικές είναι τα εξής:

 ISO-787 Γενικές μέθοδοι δοκιμής για χρωστικές και αραιωτικές ουσίες.
 ISO-8780 Μέθοδοι διασποράς για την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών διασποράς.

Άλλα πρότυπα ISO αφορούν συγκεκριμένες κατηγορίες ή κατηγορίες χρωστικών, με βάση τη χημική τους σύσταση, όπως χρωστικές ουσίες υπερμαρίνης, διοξείδιο του τιτανίου, χρωστικές ουσίες οξειδίου του σιδήρου κ.ά.

Πολλοί κατασκευαστές χρωμάτων, μελανιών, υφασμάτων, πλαστικών και χρωμάτων έχουν οικειοθελώς υιοθετήσει το Color Index International (CII) ως πρότυπο για την αναγνώριση των χρωστικών, που χρησιμοποιούν στην κατασκευή συγκεκριμένων χρωμάτων. Δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1925, και τώρα δημοσιεύεται από κοινού στον Ιστό από την Εταιρεία Βαφείων και Χρωστικών (Ηνωμένο Βασίλειο) και την Αμερικανική Ένωση Χημικών και Χρωματιστών Κλωστοϋφαντουργίας (ΗΠΑ). Αυτός ο δείκτης αναγνωρίζεται διεθνώς ως η έγκυρη αναφορά για τις χρωστικές ουσίες. Περιλαμβάνει πάνω από 27.000 προϊόντα με πάνω από 13.000 γενικά ονόματα ευρετηρίου χρωμάτων.

Στο σχήμα CII, κάθε χρωστική ουσία έχει έναν γενικό αριθμό ευρετηρίου, που την προσδιορίζει χημικά, ανεξάρτητα απ' τα ιδιόκτητα και τα ιστορικά ονόματα. Για παράδειγμα, το Phthalocyanine Blue BN είναι γνωστό με μια ποικιλία γενικών και ιδιόκτητων ονομάτων απ' την ανακάλυψή του, τη δεκαετία του 1930. Σε'ένα μεγάλο μέρος της Ευρώπης, το μπλε της φθαλοκυανίνης είναι πιο γνωστό ως Helio Blue ή με ιδιόκτητο όνομα, όπως το Winsor Blue. Ένας Αμερικανός κατασκευαστής χρωμάτων, ο Grumbacher, κατοχύρωσε μια εναλλακτική ορθογραφία (Thanos Blue) ως εμπορικό σήμα. Το Color Index International επιλύει όλες αυτές τις αντικρουόμενες ιστορικές, γενικές και ιδιόκτητες ονομασίες, έτσι ώστε οι κατασκευαστές και οι καταναλωτές να μπορούν να αναγνωρίσουν τη χρωστική ουσία (ή τη βαφή), που χρησιμοποιείται σε ένα συγκεκριμένο έγχρωμο προϊόν. Στο CII, όλες οι χρωστικές μπλε φθαλοκυανίνης χαρακτηρίζονται με έναν γενικό αριθμό δείκτη χρώματος, είτε ως PB15, είτε ως PB16, συντομογραφία για το pigment blue 15 και το pigment blue 16. Αυτοί οι δυο αριθμοί, αντανακλούν μικρές διακυμάνσεις στη μοριακή δομή, οι οποίες παράγουν ένα ελαφρώς πιο πρασινωπό ή κοκκινωπό μπλε.

 Βιολογικές χρωστικές 
Στη βιολογία, μια χρωστική είναι οποιοδήποτε έγχρωμο υλικό φυτικών ή ζωικών κυττάρων. Πολλές βιολογικές δομές, όπως το δέρμα, τα μάτια, η γούνα και τα μαλλιά περιέχουν χρωστικές ουσίες (όπως μελανίνη).Ο χρωματισμός του δέρματος των ζώων εμφανίζεται συχνά μέσω εξειδικευμένων κυττάρων που ονομάζονται χρωματοφόρα, τα οποία ζώα όπως το χταπόδι και ο χαμαιλέοντας μπορούν να ελέγξουν για να αλλάξουν το χρώμα τους. Πολλές καταστάσεις επηρεάζουν τα επίπεδα ή τη φύση των χρωστικών σε κύτταρα φυτών, ζώων, ορισμένων πρωτίστων ή μυκήτων. Για παράδειγμα, η διαταραχή που ονομάζεται αλφινισμός επηρεάζει το επίπεδο παραγωγής μελανίνης στα ζώα.

Η μελάγχρωση σε οργανισμούς εξυπηρετεί πολλούς βιολογικούς σκοπούς, όπως καμουφλάζ, μίμηση, αποσηματισμός (προειδοποίηση), σεξουαλική επιλογή και άλλες μορφές σηματοδότησης, φωτοσύνθεση (στα φυτά), καθώς και βασικούς φυσικούς σκοπούς όπως προστασία από ηλιακά εγκαύματα.

Το χρώμα της χρωστικής διαφέρει από το δομικό χρώμα στο ότι το χρώμα της χρωστικής είναι το ίδιο για όλες τις γωνίες θέασης, ενώ το δομικό χρώμα είναι αποτέλεσμα επιλεκτικής ανάκλασης ή ιριδισμού, συνήθως λόγω πολυστρωματικών δομών. Για παράδειγμα, τα φτερά της πεταλούδας συνήθως περιέχουν δομικό χρώμα, αν και πολλές πεταλούδες έχουν κύτταρα, που περιέχουν επίσης χρωστική ουσία.

 Αριθμοί αξίας 

Τα ακόλουθα είναι μερικά απ' τα χαρακτηριστικά των χρωστικών, που καθορίζουν την καταλληλότητά τους για συγκεκριμένες διαδικασίες και εφαρμογές παραγωγής:

 Αντοχή στο φως κι ευαισθησία για βλάβες από το υπεριώδες φως
 Θερμική σταθερότητα
 Τοξικότητα
 Ισχύς χρωματισμού
 Χρώση
 Διασπορά (μπορεί να μετρηθεί με τον μετρητή Hegman)
 Αδιαφάνεια ή διαφάνεια
 Αντοχή σε αλκάλια και οξέα
 Αντιδράσεις και αλληλεπιδράσεις μεταξύ χρωστικών

 Χρωστικές κατά χημική σύσταση 

δεξιά|μικρογραφία|200x200εσ|Μπλε Phthalo

 Χρωστικές ουσίες καδμίου: κίτρινο κάδμιο, κόκκινο κάδμιο, πράσινο κάδμιο, πορτοκαλί κάδμιο, σουλφοσελενίδιο καδμίου
 Χρωστικές χρωμίου: κίτρινο χρώμιο και πράσινο χρώμιο (viridian)
 Χρωστικές ουσίες κοβαλτίου: βιολετί κοβαλτίου, μπλε κοβαλτίου, μπλε σερουλέας, αυρεολίνη (κίτρινο κοβαλτίου)
 Χρωστικές ουσίες χαλκού: Αζουρίτης, Μωβ Han, Μπλε Χαν, Αιγυπτιακό μπλε, Μαλαχίτης, Πράσινο του Παρισιού, Μπλε φθαλοκυανίνης BN, Πράσινο Φθαλοκυανίνη G, βερντίγκρις
 Χρωστικές ουσίες οξειδίου του σιδήρου: σαγκουίνι, caput mortuum, κόκκινο οξειδίου του σιδήρου, κόκκινη ώχρα, κίτρινη ώχρα, κόκκινο βενετσιάνικο, μπλε της Πρωσίας, ακατέργαστη σιέννα, καμένη σιέννα, ακατέργαστη όχρα, καμένη όχρα
 Χρωστικές ουσίες μολύβδου: λευκό μόλυβδο, λευκό κρεμνίτς, κίτρινο της Νάπολης, κόκκινο μόλυβδο, κίτρινο μολύβδου-κασσιτέρου
 Χρωστικές ουσίες μαγγανίου: βιολετί μαγγανίου, μπλε YInMn
 Χρωστικές υδραργύρου: κόκκινο υδραργύρου
 Χρωστικές ουσίες τιτανίου: κίτρινο τιτανίου, μπεζ τιτανίου, λευκό τιτανίου, μαύρο τιτανίου
 Χρωστικές ψευδαργύρου: λευκό ψευδαργύρου, ψευδάργυρος φερρίτης, κίτρινο ψευδαργύρου
 Χρωστική ουσία αλουμινίου: σκόνη αλουμινίου 
 Χρωστικές ουσίες άνθρακα: μαύρο άνθρακα (συμπεριλαμβανομένου του αμπέλου μαύρου, μαύρου λαμπτήρα), μαύρο ιβουάρ (ανθρακί από κόκαλο)
 Χρωσική Ultramarine (με βάση το θείο): ultramarine, ultramarine green απόχρωση
 Βάριο: λευκό βάριο (λιθόπονο)

 Βιολογικά και οργανικά 

 Βιολογική προέλευση: alizarin, gamboge, cochineal red, rose madder, indigo, ινδικό κίτρινο, μωβ Tyrian
 Μη βιολογικά οργανικά: κινακριδόνη, ματζέντα, φθαλοπράσινο, μπλε φθαλό, κόκκινη χρωστική 170, κίτρινο διαρυλίδιο

 Παραπομπές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 Χρωστικές στο πέρασμα των αιώνων
 ColourLex Pigment Lexicon
 Τα παλαιότερα στοιχεία τέχνης που βρέθηκαν
 Sarah Lowengard, The Creation of Color in Eighteenth-century Europe, Columbia University Press, 2006
 , Chemical Heritage Foundation
 , Chemical Heritage Foundation
 Η αναζήτηση για το επόμενο χρώμα δισεκατομμυρίων δολαρίων