Феномен окраски золей определяется взаимодействием света с дисперсными частицами коллоидных систем. Цвет золя не является свойством отдельной частицы, а возникает из-за совокупного эффекта рассеяния и поглощения света в системе. Основные механизмы, влияющие на цвет золей, включают рассеяние Рэлея, поглощение света частицами и плазмонный резонанс для металлических золей.
Цвет коллоидных систем тесно связан с размером частиц. Для частиц диаметром значительно меньше длины волны видимого света (d << λ) преобладает рассеяние Рэлея, которое характеризуется сильной зависимостью интенсивности от длины волны:
$$ I \propto \frac{1}{\lambda^4} $$
Это объясняет, почему золы с мелкими частицами, например, золото или серебро в водных дисперсиях, могут приобретать оттенки синего или фиолетового цвета, несмотря на желтый или красный цвет материала в макроскопическом состоянии.
При увеличении размера частиц до порядка длины волны света (d ~ λ) проявляется рассеяние Мие, при котором цвет зависит не только от длины волны, но и от формы и агрегированного состояния частиц. В таких случаях наблюдаются сложные оттенки и интерференционные эффекты.
Коллоидные частицы способны поглощать свет в определенных диапазонах спектра за счет электронных переходов в атомах и молекулах вещества, из которых состоят частицы. Например, золотообразные частицы проявляют плазмонный резонанс, возникающий из коллективного колебания свободных электронов на поверхности наночастиц под воздействием светового поля.
Энергия плазмонного резонанса зависит от:
Для сферических золотых наночастиц с диаметром 20–100 нм резонанс приходится на зеленую область спектра, что при рассеянии и поглощении света создает красно-фиолетовый цвет золей.
Цвет золей чувствителен к концентрации частиц и их степени агрегации. При увеличении концентрации или образовании агрегатов спектральная зависимость поглощения смещается, что приводит к изменению наблюдаемого цвета: от ярко-красного до пурпурного и даже синеватого.
Агрегация изменяет локальное электромагнитное поле и усиливает взаимодействие между частицами, вызывая сдвиг плазмонного резонанса и изменение оптических свойств.
Диэлектрическая проницаемость среды оказывает существенное влияние на цвет золей. Для металлических коллоидов смещение спектра поглощения прямо связано с коэффициентом преломления растворителя, так как он определяет частоту колебаний электронного плазмона. Изменение среды, например, добавление полярных или неполярных растворителей, приводит к заметной смене окраски.
Цвет золей является важным диагностическим и функциональным признаком коллоидных систем, отражающим их размер, морфологию, агрегированное состояние и взаимодействие с окружающей средой. Понимание природы окраски обеспечивает контроль над оптическими свойствами золей для применения в химии, материаловедении и биомедицине.