Warum verfärben sich Materialien, wenn sie längere Zeit der Sonne ausgesetzt sind?

Der Begriff "Festkörper" ist eine eher vage Definition. Ich werde versuchen, es in Kategorien zu unterteilen und versuchen, einzeln zu antworten. Aber gleich zu Beginn kann ich sagen, dass die beobachtete Farbänderung in Materialien hauptsächlich auf chemische Veränderungen zurückzuführen ist, die durch UV-Licht der Sonne hervorgerufen werden. Mit chemischen Veränderungen meine ich drei Hauptmechanismen; Aufbrechen chemischer Bindungen, Bildung von Radikalen oder Licht als Katalysator für bestimmte Reaktionen. Das allgemeine Gebiet, das alle Fragen dieser Art beantworten kann, heißt Photochemie .

Metalle: Das Sonnenlicht allein kann reinen Metallen nicht viel anhaben. Wenn das Metall lackiert ist (wie die meisten Metalle, die wir in unserem täglichen Leben sehen), können die Pigmente in der Farbe natürlich durch das Sonnenlicht abgebaut werden (ihre chemische Struktur ändern), was zu einer Farbänderung führen kann.

Menschen : (unter der Annahme, dass Menschen "feste Objekte" sind) Die meisten Menschen ändern ihre Farbe im Sonnenlicht als Schutzmechanismus des Körpers. Das UV-Licht ist nicht gut für die Haut (verbrennt die Haut), und daher produziert die der Sonne ausgesetzte menschliche Haut Pigmente, um das Licht zu absorbieren und die Haut vor Verbrennungen zu schützen. Die erzeugten Pigmente führen zu einer Farbänderung.

Kunststoffe: Kunststoffe gehören zu den Materialien, die am stärksten von Sonnenlicht betroffen sind. Sie können nicht nur ihre Farbe ändern, sondern auch einige andere Materialeigenschaften wie Elastizität verlieren, da chemische Bindungen von Polymeren durch UV-Licht aufgebrochen werden. Die Auswirkungen von Sonnenlicht auf Kunststoffe können so drastisch sein, dass sie sogar gesundheitliche Bedenken hervorrufen können. Die meisten in Plastikflaschen aufbewahrten Getränke haben einen Aufkleber mit der Aufschrift „Direktes Sonnenlicht vermeiden“, da die durch das UV-Licht induzierten chemischen Reaktionen dazu führen können, dass einige toxische Komponenten (oder photochemische Reaktionsprodukte) in die Flüssigkeit freigesetzt werden.

Papier : Papier wird aus Holz hergestellt, das hauptsächlich aus Zellulose besteht. Cellulose ist im Prinzip farblos, sieht aber aufgrund ihrer Opazität weiß aus. Offenbar kann Zellulose in Papier durch verschiedene chemische Reaktionen (Oxidation und Wechselwirkungen mit Säuren im Papier) abgebaut und die Farbe verändert werden. Es zeigt sich aber auch, dass Zellulose UV-Licht absorbiert und dadurch abgebaut wird. Die Veränderung der chemischen Struktur der Zellulose ist jedoch nur einer der Gründe für die Farbveränderung des Papiers. Verschiedene Papierarten enthalten unterschiedliche Verunreinigungen (Ergebnis eines geringeren Reinigungsaufwands), eine der häufigsten ist Lingin, ein weiterer Bestandteil von Holz. Lingin verleiht dem Zeitungspapier die bräunliche Farbe und ist im Vergleich zu Zellulose anfälliger für Abbau, daher ändert braunes Papier seine Farbe schneller als weißes Papier.

Eine Randbemerkung zum Stoff : Da Zellulose auch der Hauptbestandteil von Baumwolle ist, die viel in der Textilproduktion verwendet wird, ist auch damit zu rechnen, dass Baumwollkleidung durch Sonneneinstrahlung beeinträchtigt wird.

BEARBEITUNGEN: Nachdem ich gesehen habe, dass meine Antwort von der Community geschätzt wird, habe ich beschlossen, ein wenig über den Grund für Farbveränderungen im Papier zu recherchieren und meine Ergebnisse meiner Antwort hinzuzufügen.

Ich habe herausgefunden, dass es mindestens einen Wissenschaftler gibt, der viel Zeit darauf verwendet hat, die Farbänderung von Papier zu verstehen. Hier ist eine seiner wichtigsten Veröffentlichungen.

Habe auch herausgefunden, dass es in Chemistry Stackexchange eine Antwort auf eine ähnliche Frage gibt.

Konzept des Photoabbaus , der im Grunde eine Oxidation und Hydrolyse aufgrund der Kombination von Licht und Luft ist. Auch hier ist "Verkauftes Objekt" eine vage Beschreibung, da auch Infrarotstrahlen und Hitze verantwortlich sein könnten.

Es wird durch Photochemie verursacht

Die meisten "festen Gegenstände" enthalten einige Farbstoffe oder Pigmente, die sie farbig machen, oder ihre Kernkomponenten bestehen aus gefärbten Substanzen. Per Definition absorbieren farbige Dinge Licht. Dies ist die Hauptursache für die Fotoverschlechterung, die zu Farbänderungen führt, wenn Dinge Licht ausgesetzt werden.

Die Ursache der Farbe ist die Wechselwirkung zwischen den Photonen des Sonnenlichts und den Elektronen in der farbigen Verbindung. Einige Elektronen leben in Molekülorbitalen und können in Orbitale mit höherer Energie versetzt werden, wenn das richtige Energiephoton mit ihnen interagiert. Dies erzeugt Farbe, wenn die absorbierte Energie über das Lichtspektrum hinweg ungleichmäßig ist. Wenn die Absorption über das gesamte sichtbare Spektrum stark ist, ist das Material grau oder schwarz.

Entscheidend für die Photodegradation ist, was nach der Absorption der Photonen passiert. Die Elektronen in den höheren Energieniveaus bleiben dort nicht. Sie werden durch eine Reihe von Prozessen in den niedrigeren Energiezustand zurückfallen. Manchmal ist dieser Zerfall einfach und die Elektronen kehren in den ursprünglichen Grundzustand zurück und beeinflussen nichts anderes in der Substanz. Aber bei vielen Substanzen gibt es Wege mit geringer Wahrscheinlichkeit, die zusätzliche Energie abzuleiten, die zu einer chemischen Veränderung in der farbigen Substanz führt. Bei den meisten Farbstoffen und Pigmenten ist die Wahrscheinlichkeit solcher Übergänge sehr gering, sonst wären es fotografische Chemikalien und keine Farbstoffe oder Pigmente. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass chemische Veränderungen induziert werden, ist selten null.Dies ist die ultimative Ursache für Fotoverschlechterung und Farbänderungen, wenn die Dinge Sonnenlicht ausgesetzt sind. Wenn es zu einer chemischen Veränderung kommt, hat die neue Chemikalie selten die gleiche Farbe wie die ursprüngliche Chemikalie, und eine lange Sonneneinstrahlung erzeugt viele Möglichkeiten, dass sogar Pfade mit geringer Wahrscheinlichkeit auftreten.

Ein erschwerender Faktor bei Sonnenlicht tritt auf, weil Sonnenlicht viel UV-Licht enthält (wobei Photonen mehr Energie haben als Photonen des sichtbaren Lichts). Die meisten Chemikalien, die im sichtbaren Bereich absorbieren, weisen auch eine signifikante UV-Absorption auf. Dadurch entstehen Elektronen in noch höheren Energiezuständen. Diese können mehr Wege zum Zerfall haben, die zu erheblichen chemischen Veränderungen der Substanz führen. Aber der Mechanismus ist derselbe. Energie wird absorbiert, indem Elektronen in höhere Energiezustände getrieben werden, und ihr Zerfall kann auf eine Weise erfolgen, die chemische Veränderungen an der Substanz verursacht. Selbst wenn diese Wege, die eine chemische Veränderung verursachen, eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit haben, kann der große Photonenfluss im Sonnenlicht eine erhebliche Menge an chemischer Veränderung bewirken, die zu Farbänderungen in der Substanz führt.