Dünyanın en çok kullanılan pigmenti: titanyum beyazı

Kısa cevap

Beyaz bir boyayı örtücü yapan şey, pigment taneciği ile onu çevreleyen bağlayıcının kırılma indisleri arasındaki büyük farktır: ışık her tanecik yüzeyinde bir parça yansır, milyonlarca yüzeyde yön değiştire değiştire geri döner ve alttaki yüzeye hiç ulaşamaz. Titanyum dioksitin kırılma indisi yaklaşık 2,6 ile 2,9 arasındadır, bir akrilik bağlayıcınınki yaklaşık 1,5; bu fark, tebeşir gibi bağlayıcıyla neredeyse aynı indise sahip bir beyazın boyada saydamlaşmasına karşın titanyum beyazının ince katmanlarda bile örtmesini sağlar. Bu gücü onu boyadan kâğıda ve plastiğe kadar her yerde vazgeçilmez kıldı; ama Avrupa Birliği, güvenli bir günlük alım düzeyi belirlenemediği için onu 2022'de gıda katkısı olarak yasakladı.

Beyazın sorunu

Beyaz, pigmentler arasında en garip olandır. Kırmızı bir pigment mavi ve yeşili soğurur, sarı bir pigment maviyi. Beyaz ise hiçbir şeyi soğurmamalı, bütün ışığı geri göndermelidir. Soğurmayan bir madde çoğu zaman şeffaftır: cam, su ve buz soğurmaz ama beyaz görünmez. O hâlde bir madde hem soğurmayıp hem de beyaz görünebilir mi?

Cevap saçılmadadır (KE-02). Karı düşünün: tek bir buz kristali şeffaftır, ama milyonlarca kristalden oluşan kar beyazdır. Işık her kristalin yüzeyinde bir parça yansır, bir parça kırılarak yön değiştirir; yeterince yüzeyden geçtikten sonra geldiği yöne geri döner. Beyaz pigment aynı ilkeyle çalışır: şeffaf ama saçan taneciklerden oluşur.

Kırılma indisi ve örtücülük

Bir yüzeyin ne kadar ışık yansıttığını, iki ortamın kırılma indisleri arasındaki fark belirler.

Işık dik geldiğinde iki ortamın sınırından yansıyan payı Fresnel bağıntısı verir: kırılma indisleri arasındaki farkın, toplamlarına oranının karesi. Bu bağıntıyı kullanarak üç beyaz maddeyi yan yana koyabiliriz. Kırılma indislerini, yayımlanmış ölçümlere dayanan dağılım formüllerinden 550 nanometre için hesapladık: rutil için Devore'un 1951 ölçümleri, kalsit, yani tebeşirin minerali için Ghosh'un 1999 formülleri, akrilik bir bağlayıcıya yakın bir örnek olarak da polimetil metakrilat için Sultanova ve arkadaşlarının 2009 ölçümleri.

Tablo iki şey söyler. Birincisi, havada, yani kuru bir toz olarak, iki beyaz da belirgin biçimde yansıtır; tebeşir tozu da beyazdır. İkincisi, bağlayıcının içinde tablo değişir. Kalsitin kırılma indisi bağlayıcınınkine o kadar yakındır ki yüzeyinden yansıyan ışık neredeyse sıfıra iner; tebeşir boyada şeffaflaşır. Rutilin her yüzeyi ise bağlayıcıda da ışığın yüzde 8 ile 11'ini geri gönderir. Bu, tebeşirin en yansıtıcı yönüne göre bile yaklaşık yirmi yedi kat fazladır. Titanyum beyazının örtücülüğü bu farktan gelir.

Bu hesap yalnız bir yüzeyin yansımasını verir. Gerçek bir boyada ışık binlerce tanecikten geçer ve taneciğin boyutu da saçılmayı etkiler. Ama sıralama değişmez: bağlayıcıyla aynı indise yakın bir tanecik, ne kadar çok olursa olsun, örtmez.

Kurşun beyazından titanyuma

Titanyum beyazından önce ressamların beyazı kurşundu.

Değişim bir gecede olmadı. Van Driel ve arkadaşları, Hollanda'daki modern sanat koleksiyonlarından 179 tabloyu taşınabilir X ışını floresansıyla inceledi.

Fotokataliz, titanyum beyazının gizli yüzüdür. Titanyum dioksit morötesi ışığı soğurur ve bu enerjiyle çevresindeki organik bağlayıcıyı parçalayabilir; mineral güneş kremlerinde filtre olarak kullanılmasının nedeni de bu soğurmadır. Van Driel ve arkadaşları, pigment taneciklerinin yüzey kaplamasını da bu yüzden incelenmesi gereken özellikler arasında sayar. Boya ekonomisinde klorür ve sülfat süreçlerinin farklı beyazlar verdiğini EC-05 anlattı; van Driel'in niyobyum gözlemi aynı ayrımı bir tablonun tarihlendirilmesine taşır.

Duvardan tabağa

Titanyum dioksit, boyanın, plastiğin ve kâğıdın başlıca beyazıdır (EC-05). Ama kullanımı gıdaya da uzandı: Avrupa'da E171 koduyla, gıdalara beyazlık ve opaklık vermek için kullanıldı.

Karar bir yıl içinde geldi. İrlanda Gıda Güvenliği Otoritesi'nin duyurusuna göre Komisyon Tüzüğü (AB) 2022/63, 7 Şubat 2022'de yürürlüğe girdi; altı aylık geçiş süresinin ardından 7 Ağustos 2022'den sonra üretilen ya da piyasaya sürülen gıdalar titanyum dioksit içeremez. Duyuru, yasağın bütün AB üye devletlerinde ve Kuzey İrlanda'da geçerli olduğunu, Birleşik Krallık'ın geri kalanında ise kullanımın sürdüğünü de not eder.

Bu tablo bir düzenleyici tartışmanın iki yüzünü gösterir. Aynı bilimsel belirsizlik karşısında bir otorite ihtiyatı seçti, başka bir yönetim kullanımı sürdürdü. Tartışma bir renk maddesinin boyada, gıdada ya da tende aynı değerlendirmeye tabi olmadığını da hatırlatır: AB kararı gıda katkısını kapsar, boyadaki ya da kozmetikteki kullanımı değil. Bu ders beslenme ya da sağlık önerisi vermez.

Örnek — güneş kreminin beyaz izi

Titanyum dioksitin örtücülüğü, tende istenmeyen bir etkiye dönüşebilir. Mineral güneş kremlerinde titanyum dioksit ve çinko oksit, morötesi ışığı engelleyen filtrelerdir. Ama aynı saçılma, görünür ışıkta da çalışır ve cildin üzerinde beyazımsı bir iz bırakır.

Bu ölçümü basit bir hesapla yeniden üretebiliriz. Serinin dört ten örneğinin üzerine, gelen ışığın yüzde 10'unu beyaz olarak geri gönderen ince bir saçıcı tül eklediğimizi varsayalım. Bu model, tenin kendi yansımasını yüzde 90'a indirip üzerine yüzde 10 beyaz ekler. CIEDE2000 farkı en açık F1C7A9'da yalnızca 2,2, C68863'te 5,9, 8D5524'te 14,0 çıkar ve dört örneğin en koyusunda 19,2'ye ulaşır.

Aynı beyaz tül, açık tende neredeyse fark edilmeyen bir değişim yaratırken koyu tende rengi belirgin biçimde değiştirir. Sebep bu dersin ana fikridir: beyaz, arka planı ne kadar koyuysa o kadar çok görünür. Bu hesap basit bir karışım modelidir ve bir kremin gerçek davranışını vermez; Maldonado López ve arkadaşlarının çalışması da çinko oksit oranı arttıkça L* değerinin ve algılanan beyaz izin arttığını ölçüm ve gönüllü değerlendirmesiyle göstermiştir. Bir kremin farklı tenlerde ne kadar iz bıraktığı bu yüzden farklı ten tonlarında test edilmelidir.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Beyaz pigment soğurmaz, saçar; örtücülüğü tanecik ile bağlayıcının kırılma indisleri arasındaki farktan gelir. Rutilin indisi 2,65–2,95, akrilik bir bağlayıcınınki yaklaşık 1,49 olduğu için her yüzey ışığın yüzde 8–11'ini yansıtır; tebeşirde bu pay neredeyse sıfırdır ve tebeşir boyada şeffaflaşır.
2. Titanyum beyazı 1910'larda üretilmeye başladı ve yirminci yüzyılda kurşun beyazının yerini aldı; ama sanatçılar ona temkinle geçti ve fotokatalitik etkisi bağlayıcıyı bozabilir.
3. EFSA 2021'de genotoksisite kaygısı dışlanamadığı için E171'e güvenli bir günlük alım düzeyi belirleyemedi; AB 7 Ağustos 2022'den itibaren gıdada kullanımını yasakladı. Güneş kremlerinde aynı saçılma koyu tende daha görünür bir beyaz iz bırakır.

Kendini sına

1. (Kolay) Titanyum dioksitin Renk İndeksi adı nedir ve hangi iki biçimi pigment olarak kullanılır?
2. (Kolay) Tebeşir tozu beyaz olduğu hâlde boyada neden şeffaflaşır?
3. (Orta) Beyaz boyayı örtücü yapan şey nedir?
4. (Orta) EFSA E171 için neden güvenli bir günlük alım düzeyi belirleyemedi?
5. (Zor) Aynı beyaz iz neden koyu tende açık tene göre daha görünür olur?
6. (Zor) Titanyum dioksit neden bazı tablolarda bağlayıcıya zarar verebilir ve van Driel'in niyobyum gözlemi neyi gösterir?

Cevaplar

1. PW6; rutil ve anataz («Kurşun beyazından titanyuma»).
2. Kalsitin kırılma indisi bağlayıcınınkine çok yakındır; yüzeyinden yansıyan ışık neredeyse sıfıra iner. Havada ise indis farkı büyük olduğu için toz beyaz görünür («Kırılma indisi ve örtücülük»).
3. Pigment taneciği ile bağlayıcı arasındaki kırılma indisi farkı; titanyum dioksitin yüksek indisi her tanecik yüzeyinde ışığın önemli bir kısmını geri yansıtır ve pek çok yüzeyden geçen ışık alttaki yüzeye ulaşamadan geri döner («Kırılma indisi ve örtücülük»).
4. Titanyum dioksit taneciklerinin tüketilmesinden sonra genotoksisite kaygısı dışlanamadı; genotoksisite dışlanamadığında güvenli bir düzey tanımlanamaz («Duvardan tabağa»).
5. Beyaz, arka planı koyulaştıkça daha çok görünür; koyu ten daha az ışık yansıttığı için eklenen beyaz ışık oransal olarak daha büyük bir değişim yaratır. Basit modelde yüzde 10'luk bir beyaz tül açık tende 2,2, en koyu tende 19,2 CIEDE2000 farkı verir; Addae ve arkadaşları da izin koyu ten modelinde iki kat daha fark edilir olduğunu ölçtü («Örnek — güneş kreminin beyaz izi»).
6. Titanyum dioksit morötesi ışığı soğurup fotokataliz yoluyla organik bağlayıcıyı parçalayabilir. Niyobyum izi yalnız sülfat süreciyle üretilen pigmentlerde bulunur; yokluğu rutil biçimine ve 1959 sonrası bir tarihe işaret eder («Kurşun beyazından titanyuma»).

Kaynaklar

• Devore, J. R., «Refractive indices of rutile and sphalerite», Journal of the Optical Society of America 41: 416–419, 1951.
• Ghosh, G., «Dispersion-equation coefficients for the refractive index and birefringence of calcite and quartz crystals», Optics Communications 163: 95–102, 1999.
• Sultanova, N., Kasarova, S. ve Nikolov, I., «Dispersion properties of optical polymers», Acta Physica Polonica A 116: 585–587, 2009.
• ColourLex, «Lead white», «Titanium dioxide white», colourlex.com.
• van Driel, B. A. vd., «The white of the 20th century: an explorative survey into Dutch modern art collections», Heritage Science 6: 16, 2018.
• European Food Safety Authority, «Titanium dioxide: E171 no longer considered safe when used as a food additive», 6 Mayıs 2021.
• Food Safety Authority of Ireland, «Titanium Dioxide is No Longer Authorised as a Food Additive in the EU from 7 August 2022», 15 Temmuz 2022.
• Addae, A. J. vd., «Measuring Sunscreen Reflectance and White Cast Using an In Vitro Skin Tone Model», ACS Applied Materials & Interfaces, 2026.

Sonraki adım

MA-10, saçan ve yansıtan taneciklerin başka bir kullanımına geçiyor: alüminyum pullar ve mika tabanlı pigmentlerle yapılan metalik, sedefli ve açıya göre renk değiştiren efekt pigmentlerini, bunların otomotiv ve kozmetikteki kullanımını ve metalik boyalı bir arabayı tamir etmenin neden zor olduğunu soruyor. Beyazın parası için EC-05'e dönülebilir: orada titanyum dioksit bir emtia olarak ele alınıyor ve fiyatının konut döngüsüyle, üretim yöntemleriyle ve fabrika fazlasıyla nasıl dalgalandığı anlatılıyor.