Czy wiesz że… nieskazitelna biel prania to ściema?

Przypomnijmy także, iż ówczesna nauka włoska była z pewnością zaawansowana w dziedzinie badań genetycznych, aczkolwiek wiedzę tę najprawdopodobniej wykorzystywano do celów rasowej eugeniki, jak sugeruje pudełko zawierające zapewne lekarstwo na ulepszenie rasy i opatrzone wieczkiem z napisem „Omo (od łacińskiego homo, gwarowa kontrakcja włoskiego uomo) bielszy niż biel”.

Umberto Eco, Diariusz najmniejszy: Fragmenty.

Eksperyment

Będziemy potrzebować: dwóch zlewek, gorącej wody, proszku „do białych rzeczy”, pęsety, lampy UV (tester banknotów, latarka UV), dwóch kawałków czystej tkaniny bawełnianej, dwie szalki Petriego lub szkiełka zegarkowe. Jeszcze ważna uwaga dotycząca „tkaniny bawełnianej”: bezwzględnie musi być to materiał wcześniej nieprany i niepoddany wybielaniu (w tym na etapie produkcji); dobrze sprawdzają się: gaza, kompresy jałowe, bandaże (choć ostatnio coraz częściej używane są w nich materiały sztuczne, które w eksperymencie działają gorzej – trzeba popróbować).

Zaczynamy od obejrzenia naszej bawełny w świetle UV. W zależności od materiału nie powinien świecić wcale lub wykazywać słabą, niebieskawą luminescencję.

Teraz przygotowujemy pranie – do zlewki wlewany około 300 ml gorącej wody, dodajemy łyżkę proszku do prania, mieszamy, wrzucamy tkaninę (jeden kawałek) i ponownie mieszamy przez kilka minut. Naszą „kąpiel piorącą” możemy podgrzewać do 60-70°C, ale nie jest to niezbędne. Następnie wyciągamy materiał, wyżymamy (palcami, nie trzeba inwestować w wyżymaczkę) i umieszczamy w zlewce z czystą wodą.

Czas na płukanie:D Zawartość zlewki mieszamy, tkaninę wyciągamy, ponownie wyżymamy i osuszamy. A następnie umieszczamy w świetle lampy UV i porównujemy z niepranym kawałkiem. Obserwujemy intensywną, jasnoniebieską fotoluminescencję (dokładniej: fluorescencję). Bielsze niż biel!

Możemy przy okazji obejrzeć w świetle UV inne białe przedmioty w naszym otoczeniu – stwierdzimy, że świecą tworzywa sztuczne, papier, biała farba, tkaniny. Praktycznie wszystko – wybielacze optyczne są wszędzie (Uwaga: materiały białkowe, np.: twaróg, świecą ze względu na swoją budowę chemiczną – na szczęście twarogu nikt nie wybiela. Choć, z drugiej strony, mieszkańcy Państwa Środka zasłynęli z wybielania grzybów, i to na kilka różnych sposobów… 🙂 ).

Wyjaśnienie

Potrzeba (może czasem nieco irracjonalna) wybielania białego w celu uzyskania bielszej bieli produktów tekstylnych, takich jak koszulki, bielizna pościelowa czy firanki, spowodowała poszukiwania sposobu na zaspokojenie tej zachcianki konsumentów. No dobrze, ale co oznacza, że tkanina wymaga wybielenia? I czym jest biel?

Nasz gatunek wyewoluował na Ziemi, trzeciej planecie krążącej wokół żółtego karła – Słońca. Ludzkie widzenie barw (tzw. widzenie fototropowe) jest związane z obecnością trzech podtypów komórek w siatkówce oka. Komórki te, nazywane czopkami, cechują się różną wrażliwością na światło o różnej długości fali, czyli, w uproszczeniu, reakcja fizjologiczna (pobudzenie komórek) jest różna dla światła o różnej barwie. Jeden z podtypów czopków cechuje się maksymalną wrażliwością na światło o długości fali 430 nm (światło niebieskie), drugi – 535 nm (światło zielone), ostatni zaś 575 nm (światło żółte). Oznacza się je literami S, M i L.

To, jaką barwę widzimy zależy od stopnia pobudzenia każdego z tych trzech podtypów fotoczułych czopków. Komórka nie rozróżnia barwy, ulega pobudzeniu lub nie. Nasz mózg „składa” informacje pochodzące z czopków: które rejestrują fotony i w jakim natężeniu. Na przykład, światło niebieskie 430 nm będzie pobudzać w znacznym stopniu czopki S i w znikomym M i L. Nasz mózg interpretuje to jako „niebieski”. Pobudzenie w równym stopniu czopków S i M oraz, w mniejszym, czopków L odczujemy jako turkusowy (490 nm). Jeśli natomiast sygnały do mózgu słać będą jedynie komórki podtypu L, to rejestrujemy światło czerwone (np. 690 nm). Biel to wrażenie wzrokowe, wywołane przez pobudzenie fotoreceptorów oka ludzkiego w sposób taki sam, jak wywołane przez rozproszone światło Słońca. Wbrew pozorom, udział fotonów odpowiadających poszczególnym barwom, docierającym do Ziemi ze słońca nie jest równy! Fotonów odpowiadających barwie czerwonej jest więcej, niż tych odpowiadających barwie niebieskiej. Ale masz mózg, ukształtowany przez miliony lat ewolucji właśnie taki profil promieniowania rozpoznaje jako biel.

Biały obiekt to taki, który odbija wszystkie długości fali światła widzialnego w 100%, a więc światło białe, odbite od białej powierzchni, pozostaje białe (czytaj: docierając do naszego oka pobudza fotoreceptory jak rozproszone światło słoneczne). Powtórzmy: biel to wrażenie wzrokowe, wywołane przez pobudzenie fotoreceptorów oka ludzkiego w sposób taki sam, jak wywołane przez rozproszone światło Słońca. W rzeczywistości nasze oko i mózg łatwo oszukać, bo zamiast pełnego zakresu widma wystarczy dobrać dwie(!) częstotliwości światła (dwie barwy proste), aby osiągnąć pobudzenie fotoreceptorów takie, jak wywołuje światło słoneczne. Mówimy o tak zwanych barwach dopełniających i addytywnym mieszani barw.

No dobrze, ale gdzie tu miejsce na pranie? Wyobraźmy sobie biały obrus. Biały, a więc idealnie odbijający światło słoneczne, cieszący właściciela swą czystością. Ale nic nie jest wieczne, z czasem na powierzchni osadzają się zanieczyszczenia i rozwijają się mikroorganizmy, a cząsteczki wchodzące w skład tkaniny ulegają przemianom chemicznym (utlenianiu i fotoutlenianiu). I nasz obrus zaczyna absorbować światło. Tak się składa, że najchętniej absorbowane jest światło o wysokich energiach, a więc światło niebieskie – takiemu fotonowi łatwo oddziaływać z materią i wzbudzać cząsteczki.

Spójrzmy na diagram obrazujący subtraktywne mieszanie barw:

Wynika z niego, że jeśli ze światła białego „wytniemy” promieniowanie o najwyższych energiach fotonów (niebieskie), to pozostanie światło o zabarwieniu żółtym. A zatem nasz obrus zaczyna żółknąć… rodzinna tragedia. No więc sięgamy po różne metody prania, wykorzystujące środki mechaniczne (słynna, zapomniana już tara do prania), wybielacze chemiczne (utleniające zanieczyszczenia), detergenty etc. Ale na powierzchniowe modyfikacje materiału, wynikające z jego utleniania i wytworzenia grup absorbujących światło to nie pomoże, bo są chemicznie związane z podłożem (a stosowanie utleniaczy może wręcz zaszkodzić). Ale, ale! Nasz fotoreceptor, czyli oko + mózg, są ułomne i łatwo je oszukać. Wiedziały o tym już nasze (pra pra)babki, które do prania białych rzeczy dodawały niewielkiej ilości niebieskiego pigmentu, na przykład smalty, indyga, ultramaryny lub błękitu pruskiego. Po co? Wróćmy do teorii barwy. Niebieski pigment odbija światło barwy niebieskiej (krótkofalowa część widma), a pochłania żółte i czerwone. A zatem „zabiera” ten długofalowy nadmiar, odbijany od pożółkłej tkaniny. W efekcie do oka obserwatora dociera światło o proporcjach poszczególnych barw ±takiej samej, jak w świetle białym, ale mniej intensywnych (czyli nasza tkanina nie jest już żółta, co najwyżej lekko szara). Przez długi czas to wystarczało, ale współczesny przemysł chemiczny zaoferował inne rozwiązanie (w końcu poszarzały obrus też jest nie do przyjęcia): wybielacze optyczne. O co chodzi? Jeśli na tkaninę naniesiemy substancję, która pochłania ultrafiolet (niewidoczna dla oka ludzkiego, wysokoenergetyczna składowa światła słonecznego) i konwertuje ten rodzaj promieniowania na światło niebieskie, to mamy rozwiązanie problemu. Zjawisko pochłaniania promieniowania krótkofalowego i przekształcania jego energii na światło o dłuższych falach nazywamy fotoluminescencją. Jej przykład mieliśmy przy okazji wpisu o szkle uranowym (i napiszemy o niej kiedyś trochę więcej). Jon uranylowy pochłaniał bliski ultrafiolet (UVA; około 366 nm) i emitował światło zielone, wybielacz optyczny pochłania UVA i świeci światłem niebieskim. Jak to się ma do barwy tkaniny? Tkanina (pożółkła) odbija światło, w którym brakuje promieniowania niebieskiego. Cząsteczka wybielacza optycznego pochłania fotony „ultrafioletowe” i wypromieniowuje światło niebieskie. Zerkamy na diagram addytywnego mieszania barw i mamy odpowiedź: niebieski + żółty = biały. W odróżnieniu od metody z niebieską „farbką do prania” do naszego oka dociera światło o niezmniejszonym natężeniu, zatem obiekt nie wydaje się zszarzały.

Wybielacze optyczne to związki organiczne, należące do różnych klas strukturalnych. Ich cząsteczki projektowane są tak, aby uzyskać trwałość efektu, kompatybilność i powinowactwo do bielonego materiału (inne stosuje się jako dodatki do masy papierniczej, inne w produkcji tworzyw a inne w detergentach do prania), odpowiednią rozpuszczalność etc. Najczęściej stosuje się pochodne stilbenu, kumaryny lub benzoksazolu.

Podsumowując, zerknijmy na poniższy rysunek:

Na rysunku A mamy śnieżnobiałą tkaninę, która odbija wszystkie składowe światła białego w równych proporcjach. Na rysunku B mamy zażółcony materiał, który absorbuje promieniowanie krótkofalowe – w odbitym świetle brakuje barw niebieskich (patrz także lewy wykres poniżej). Diagram C prezentuje efekt użycia niebieskiego barwnika. Jego cząsteczki pochłaniają światło długofalowe (żółty, pomarańczowy, czerwony), zatem promieniowanie odbite od obiektu jest zubożone zarówno w promieniowanie wysoko- jak i niskoenergetyczne; przedmiot wydaje się szarawy (na środkowym wykresie poniżej przedstawiono widmo absorbcji światła przez niebieski pigment). Ostatni panel, D, przedstawia efekt działania wybielacza optycznego (fluorescencyjnego) – brakującą (pochłoniętą przez włókna) część światła odtwarzają cząsteczki wybielacza (widmo emisji wybielacza optycznego zilustrowano na prawym wykresie poniżej).

I tak, dzięki niedoskonałości naszego oka, podatności mózgu na złudzenia i sukcesom przemysłu chemicznego możemy się napawać ułudą czystości…

Do poczytania dla zainteresowanych:

(i) Z. Xing, X. Zhao; Mushroom Production in China: The Illegal Use of Fluorescent Whitening Agents (FWAs) and Related Outbreaks. [W:] J. Hoorfar (ed.) Global Safety of Fresh Produce: A Handbook of Best Practice, Innovative Commercial Solutions and Case Studies. Woodhead Publishing, Cambridge, 2014, pp. 401-408. DOI: 10.1533/9781782420279.5.401
(ii) M. Milichovsky, S. Milichovska; Characterization of Oxidized Cellulose with Ultraviolet–Visible Spectroscopy. J. Appl. Polymer Sci., 107: 2045-2052, 2008. DOI: 10.1002/app.27232
(iii) H.F. Launer; Effect of Light Upon Wool. Part IV: Bleaching and Yellowing by Sunlight. Text. Res. J. 35(5): 394-400, 1965. DOI: 10.1177/004051756503500502
(iv) M. Missori, M. Righini, S. Selci; Optical Reflectance Spectroscopy of Ancient Papers with Discoloration or Foxing. Optics Commun., 231: 99-106, 2004. DOI: 10.1016/j.optcom.2003.12.034
(v) F.G. Lennox; A Spectrophotometric Study of Yellowing in Wool Fabric. J. Text. Inst. Trans., 51(12): T1193-T1209, DOI: 10.1080/19447026008662555
(vi) M. Richena, M. Silveira, C. A. Rezende, I. Joekes; Yellowing and Bleaching of Grey Hair Caused by Photo and Thermal Degradation. J. Photochem. Photobiol. B, 138: 172-181, 2014. DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2014.05.017
(vii) I. Holme; Textile Yellowing During Storage. Text. Horizons, 6(8): 35-37, 1986.
(viii) H.R. Cooper; Yellowing of Textiles Due to Atmospheric Pollutants. Text. Prog. 15(4): 1-5, 1987. DOI: 10.1080/00405168708688903
(ix) Y. Yu, M. Cai, L. Zhou, J. Shao; Study on the Aging and Yellowing Properties of Sebum-soiled Cotton Fabrics. Fibers Polym., 17(2): 305-309, 2016. DOI: 10.1007/s12221-016-5182-z
(x) A. Mosca Conte, O.  Pulci, A.  Knapik, J. Bagniuk, R.  Del Sole, J.  Lojewska, M.  Missori; Role of Cellulose Oxidation in the Yellowing of Ancient Paper. Phys. Rev. Lett., 108(15): 158301, 2012. DOI: 10.1103/physrevlett.108.158301
(xi) J.B.G.A. Havermans, J. Dufour; Photo Oxidation of Paper Documents. A Literature Review. Restaurator, 18(3): 103-114, 1997. DOI: 10.1515/rest.1997.18.3.103
(xii) K.R. Millington; Photoyellowing of wool. Part 1: Factors affecting photoyellowing and experimental techniques. Color. Technol., 122(4): 169-186, 2006. DOI: 10.1111/j.1478-4408.2006.00034.x
(xiii) K.R. Millington; Photoyellowing of wool. Part 2: Photoyellowing mechanisms and methods of prevention. Color. Technol., 122(6): 301-316, 2006. DOI: 10.1111/j.1478-4408.2006.00045.x
(xiv) M. Hossain, K.K. Mondal, T. Islam; Optical Brightening Agents: Properties, Function, Mechanism and Usages. TextileLearner, 2021. [https://textilelearner.net/optical-brightening-agents/]
(xv) R.A. Mustalish; Optical Brighteners: History and Technology. Stud. Conserv., 45(sup. 1): 133-136, 2000. DOI: 10.1179/sic.2000.45.Supplement-1.133
(xvi) M.A. Hubbe, J.J. Pawlak, A.A. Koukoulas; Paper’s appearence: A Review. BioResources, 3(2): 627-665, 2008. DOI: 10.15376/biores.3.2.627-665
(xvii) D.H. Foster; Chromatic Function of the Cone. [W:] D.A. Dartt (ed.) Encyclopedia of the Eye. Academic Press, Cambridge, 2010, pp.: 266-274. DOI: 10.1016/B978-0-12-374203-2.00232-3
(xviii) R.H. Masland, T.D. Albright, P. Dallos, S. Firestein, M.C. Bushnell, J.H. Kaas, D. Oertel, G.K. Beauchamp, A.I. Basbaum, E.P. Gardner (eds.). The Senses: A Comprehensive Reference. Academic Press, Cambridge, 2008.
(xix) W. Bułat; Zjawiska optyczne w przyrodzie. WSiP, Warszawa, 1979.
(xx) E. Hecht; Optyka. PWN, Warszawa, 2012.