يعلم المعلمون في المختبر والورشة أنه بعد معالجة أقمشتنا بالميرسيريزينغ أو القلويات المركزة، سيصبح اللون أغمق بعد الصباغة. فما السبب وراء ذلك؟

نظرة عامة على دور الضوء المرئي والمنسوجات
سبب اللون
الطبيعة مليئة بالألوان، من السماء الزرقاء وقوس قزح إلى الأزهار الملونة والمعادن والحيوانات. اللون هو انعكاس الضوء المرئي على الأعصاب البصرية للأشخاص. أي أن الضوء المرئي ذا طول موجي معين ينتج انعكاسًا لونيًا معينًا، واللون ليس سوى إدراك بصري لدى البشر.
سبب اللون
هناك طرق عديدة ومختلفة لإنتاج أو انبعاث الضوء المرئي، وبالتالي فإن أسباب اللون كثيرة ومتنوعة. يقسم ناسو تقريبًا أسباب اللون إلى الأنواع الخمسة التالية:
صورة
(1) الاهتزازات والتحفيز البسيط للإلكترونات: مثل التأثيرات اللونية للهب والبرق والشفق القطبي واليود، والتي يُعتبر معظمها انبعاثات بلازما ذات درجات حرارة عالية.
(2) تأثير مجال التنسيق الإلكتروني الانتقالي: ينتمي كل من الروبي والزمرد والفيروز وتأثيرات الألوان لمركبات المعادن في أصباغ (أو أصبغة) معقدة معدنية مختلفة إلى هذه الفئة.
(3) انتقال الإلكترونات بين المدارات الجزيئية: تعود تأثيرات اللون لمعظم الأصباغ العضوية (أو الصبغات) وبعض المواد غير العضوية (الياقوت) إلى هذه الفئة.
(4) انتقال الإلكترونات في نطاق الطاقة: تنتمي تأثيرات الألوان للمعادن غير الحديدية (الذهب والفضة والنحاس والحديد)، وأشباه الموصلات، ومراكز اللون (الأميثيست، والكريستال الدخاني) إلى هذه الفئة.
(5) التأثيرات البصرية الهندسية والفيزيائية: التأثيرات اللونية الناتجة عن الانكسار الإنشاري، والتبعثر، والتشابك، والحيود. ومن بين هذه الأسباب الخمسة، يمكن تقسيم القليل منها إلى خمسة عشر جزءًا إضافيًا.
أسباب تطور لون المنسوجات
ينتمي تطوير ألوان المنسوجات (بما في ذلك الصباغة والتلوين بوسائل أخرى) إلى التفاعل بين الضوء والمادة الصلبة الكبيرة. هناك طرق عديدة لجعل المنسوجات تنتج اللون، وتعتمد حاليًا بشكل رئيسي على تطبيق مواد ملونة (أصباغ ممتصة أو أصباغ ثابتة) لإنتاج اللون.
علاوة على ذلك، يعتمد البحث في لون المنسوجات بشكل رئيسي على البنية الجزيئية للأصباغ، أي العلاقة بين البنية الجزيئية للصبغات أو الأصباغ وطيف الامتصاص، مثل أطياف امتصاصها في المحاليل المائية أو العضوية.
بشكل صارم، هذا الطيف الامتصاص لا يعكس تمامًا لون المنسوجات، لأن لون المنسوجات الملونة لا يعتمد فقط على البنية الجزيئية للأصباغ والملونات، بل يعتمد أيضًا على العوامل التالية:
صورة
(1) حالة امتصاص أو تثبيت الأصباغ أو الصبغات على المنسوجات. على سبيل المثال، تكون طبقة امتصاص أحادية الجزيئات أو طبقة امتصاص متعددة الجزيئات؛ أو تكون تجمعات أو بلورات، مع تحديد هيكلها وحجم التجمعات أو البلورات؛ وما إذا كانت موزعة على سطح الألياف أو داخل الألياف، إلخ.
(2) البنية والشكل المورفولوجي للألياف. تمتلك الألياف ذات الهياكل الكيميائية المختلفة تأثيرات مختلفة على امتصاص الضوء وانعكاسه؛ حيث تتميز الألياف ببنى فوق جزيئية مختلفة، وتؤثر بشكل مختلف على الضوء، مع اختلاف في الاتجاه الجزيئي والبلورية وحجم البنية، مما يؤدي إلى اختلافات في انعكاس الضوء وتشتته وتداخله وغير ذلك من التأثيرات. كما أن الألياف ذات الهياكل المورفولوجية المختلفة تؤدي إلى تأثيرات متفاوتة على الضوء. فسمك الألياف ومساحتها السطحية وأشكال مقطعها العرضي المختلفة، بالإضافة إلى وجود ثقوب وشقوق داخل الألياف، كلها عوامل تؤثر على كيفية تفاعل الألياف مع الضوء، خاصةً ما يتعلق بالتأثيرات البصرية الفيزيائية والهندسية للاحتباس الضوئي.
(3) تمتلك المواد المختلفة التي تُطبَّق على الألياف تأثيرات مختلفة على الضوء. بالإضافة إلى الأصباغ أو الصبغات، هناك العديد من المواد الأخرى التي تُطبَّق على الألياف عن طريق الامتزاز أو الالتصاق، مثل مُعدِّلات السطح المختلفة، وخاصةً المواد التي تُعتمِد أو تُضيء أو تعكس الضوء، وكذلك المواد المُشكِّلة للأغشية، والتي يمكن أن تغيّر بشكل كبير قدرة الألياف على الاستجابة للضوء. يتضح مما سبق أنه عند دراسة المادة الملوّنة، لا يكفي فقط فهم لون الألياف من خلال التركيب الجزيئي للأصباغ أو الصبغات، بل يجب أخذ جوانب عديدة بعين الاعتبار، بما في ذلك امتصاص الألياف الملونة وإصدارها والتأثيرات البصرية الهندسية والفيزيائية لها.
طريقة وسبل عمل الضوء المرئي والمنسوجات
الانعكاس والتشتت
عندما يصطدم الضوء بسطح الألياف، فإنه سينعكس، وعندما يكون سطح الألياف ناعمًا جدًا، سيحدث انعكاس مبهرج يؤدي إلى انعكاس قوي في اتجاه معين. ومع ذلك، فإن سطح الألياف ليس ناعمًا تمامًا وله درجة معينة من الخشونة، لذا سيحدث أيضًا درجة معينة من الانعكاس المنتشر (غير موضح في الشكل 3-1).
من منظور التفاعل بين الضوء والألياف، فإن الانعكاس البارز له تفاعل ضعيف مع الألياف، في حين أن الانعكاس المنتشر يرتبط بشكل أوثق وسيظهر لونًا معينًا لأن ضوء الانعكاس المنتشر يتشتت وينعكس بعد دخول الضوء إلى عمق معين داخل الألياف. وبالخروج من الألياف، خاصة بعد أن تمتص الصبغة الموجودة فيها الضوء انتقائيًا، يكون الضوء المنعكس المنتشر بشكل رئيسي هو الضوء المكمل للضوء الممتص، مما يؤدي إلى تأثير لوني قوي.
يحدث امتصاص الضوء بواسطة الصبغة بشكل رئيسي داخل الألياف، ولكن في بعض الحالات، عندما توجد الصبغة، خاصة الصبغة الموجودة في الطلاء، بشكل رئيسي على سطح الألياف، لا يحدث فقط الانعكاس البسيط، بل أيضًا الامتصاص والانعكاس المنتشر. وعندما تكون هناك طبقات وجزيئات صلبة وعوامل تشطيب مختلفة على سطح الألياف، تصبح تفاعلات الضوء مع الألياف على السطح أكثر تعقيدًا، وهو ما سيتم مناقشته لاحقًا.
الامتصاص والتشتت والانتقال
يمكن اعتبار الألياف كجسم شفاف جزئيًا، ويمكن لجزء من الضوء أن يدخل الألياف، حيث يحدث الامتصاص أو التبعثر أو انبعاث الفلورسنت بشكل رئيسي. ينتج الامتصاص بشكل رئيسي عن تفاعل الصبغات مع الضوء، أي يحدث امتصاص انتقائي. أما الضوء المكمل فينعكس بشكل منتشر أو ينتقل عبر الألياف، مما يجعل الألياف تبدو ملونة. أما الضوء غير الممتص فيتعرض للتشتت داخل الألياف، كما ينتقل جزء منه أيضًا.
في وجود المواد الفلورية، تنبعث الألياف ضوءًا فلوريسنتيًا بعد امتصاصها للضوء (بشكل رئيسي الأشعة فوق البنفسجية)، وتُظهر الألياف هذا الضوء من خلال الانعكاس المنتشر أو النقل. ويحدث امتصاص وتشتت الضوء في الألياف بالتناوب عدة مرات. كما أن الهياكل الفوق جزيئية المختلفة للألياف (المناطق البلورية والمنطقة غير المتبلورة) لها تأثيرات مختلفة على الضوء.
البنية الشكلية وكذلك الفراغات والتجاويف في الألياف، مثل خلايا القطن والألياف الأخرى أو المسام الدقيقة لألياف الخيزران الأصلية، ستزيد من تشتت الضوء داخل الألياف وتجعل اللون أفتح، بينما بعد عملية الميرسيرزة أو المعالجة بالقلويات المركزة، تصبح الخلايا أو المسام أصغر حجمًا أو تختفي تمامًا، مما سيقلل من تشتت الضوء داخل الألياف ويجعل اللون أكثر كثافة. وبالتالي، فإن عملية الميرسيرزة للأقمشة القطنية تزيد من عمق (أو تركيز) اللون، ليس فقط بسبب زيادة المنطقة غير المتبلورة في الألياف التي تجعل اللون أغمق. كما ارتبطت الزيادة في امتصاص الصبغة بتغيرات في البنية فوق الجزيئية والبنية الشكلية للألياف. ومن الجدير بالذكر أن بعض الألياف المركبة متعددة المكونات التي ظهرت حاليًا، مثل ألياف بروتين حبوب الصويا وشرنقة دودة القز وغيرها، تحتوي أيضًا على انعكاس أو تشتت كبير عند حدود المكونين داخل الألياف، مما سيجعل القماش أخف وأخف، وليس لامعًا.
الانكسار والاستقطاب
تعتمد كمية انكسار الضوء وتحقيقه على السرعة التي ينتقل بها الضوء عبر الهواء والألياف. كما يرتبط حجم زاوية الانكسار بمعامل الانكسار للألياف. ويحدث أيضًا انعكاس داخلي عندما يتم نقل الضوء من الألياف إلى وسط الهواء المتكدر. وبما أنه يُنقل من الألياف المنظمة بإحكام إلى وسط الهواء الرقيق، فإن شدة الانعكاس الداخلي تكون أضعف بكثير من الانعكاس الحادث.
نظرًا لأن سرعة انتشار الضوء في الألياف لا تتعلق فقط بمعامل الانكسار للألياف، بل أيضًا بطول موجة الضوء، فقد ينتج عن الضوء المنقول تأثير انزياح معين، مما يجعل لون الضوء المنعكس مختلفًا قليلاً عن لون الضوء المنقول. كما أن انتقال الضوء ذي الأطوال الموجية الطويلة يكون قويًا، والعكس صحيح. وعند إحداث درجات مختلفة من الانزياح، يتغير لون الضوء المنقول. وبما أن الألياف متمايزة الخواص ولها خصائص بصرية مختلفة في الاتجاهات المختلفة، أي أنها تُظهر ظاهرة التلون المتعدد، فإن الألياف لن تعكس الضوء فحسب، بل ستقوم أيضًا بتشتيته وتناثره وامتصاصه وانكساره، بالإضافة إلى أنّها ستقوم بتحفيزه واستقطابه وتداخله وحيوده.
ولأن المنسوجات هي مجمّع متعدد الألياف، ولأن بنية الخيوط والأقمشة تختلف، فإن الخصائص البصرية للمنسوجات معقدة جدًا، وتؤثر تغيراتها مباشرة على لون المنسوجات. يمكننا مناقشة تأثير الضوء على لون المنسوجات من منظور البصريات الهندسية والفيزيائية، أي تأثيرات الانعكاس والتشتت والانكسار والاستقطاب والتشابك والحيود، وتحليل الطرق الكفيلة بتحقيق التوليد الحراري الهيكلي وأساليب التحكم في اللون.