Дом для Таблицы: российские химики записали в кварцевом стекле миниатюрное цветное изображение Таблицы Менделеева.
Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева создали микроизображение Таблицы Менделеева в кварцевом стекле, которое переживет пожар и другие внешние воздействия. Для этого использовали метод фемтосекундной лазерной записи, на основе которого разрабатывают технологии сверхплотного хранения данных в стекле. Размер созданной Таблицы 3,6х2,4 мм и она выдерживает температурное воздействие до 900°С. Работа опубликована в специальном номере журнала Frontiers in Chemistry, посвященном Таблице Менделеева и напоминает, что стекло может включать в себя почти все элементы Таблицы.
Мы используем стекла уже больше 5000 лет, и встретить их можно не только в привычной посуде, окнах и смартфонах, но и в стоматологии, ракетостроении, волоконно-оптической связи и других областях промышленности. Несмотря на такую распространённость, стекла до сих пор изучены не так хорошо, как кажется, и появляются всё новые их составы и методы обработки.
Почти 95 % всех стекол в мире силикатные: их делают из сырьевой смеси, главный компонент которой – это оксид кремния, или попросту песок, знакомый по пляжам и песочницам. Но кроме кремния в стеклах встречается почти вся Таблица Менделеева. Для придания стеклу нужных свойств (например, прочности, химической стойкости или цвета) в него включают оксиды натрия, алюминия, бора, кальция, хрома… Список можно продолжать, ведь из 118 элементов Таблицы Менделеева в стекле используют больше 80! К примеру, в составе красных стекол Кремлевских звезд есть кадмий и селен, а из стекла с оксидом урана раньше производили бокалы и столовую посуду.
В новой работе, опубликованной в журнале Frontiers in Chemistry, ученые записали в стекле миниатюрную Таблицу Менделеева. «В этой работе мы показали, насколько близки две, на первый взгляд никак не связанные между собой вещи – стекло и Таблица Менделеева», — комментирует ассистент кафедры стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева и соавтор работы Георгий Шахгильдян. «Стекло – это своеобразный дом для Таблицы, потому что оно может вместить в себе, в своей структуре, почти все химические элементы».
Лазерные операции на стеклах
Кроме разработки новых составов ученые могут изменять свойства стекол в какой-то маленькой, локальной области. Это делают с помощью фемтосекундных лазеров, которые испускают очень короткие световые импульсы (1 фемтосекунда – 10-15 секунд). Из-за малой длительности импульса излучение обладает высокой интенсивностью, и поэтому локальная область облучаемой поверхности сильно разогревается и меняет свою структуру. В операциях на глазах врачи используют фемтосекундные лазеры, чтобы аккуратно разрезать и сшивать живые ткани. А с помощью лазерных «операций» на стеклах ученые могут создавать внутри них миниатюрные оптические элементы: волноводы, каналы, переключатели.
«Для многих стекол метод прямой лазерной записи приводит к ожидаемым результатам, но тут не обходится и без алхимических превращений» — рассказывает Владимир Сигаев, заведующий кафедрой стекла и ситаллов РХТУ и один из авторов работы, «в прозрачном стекле выделяются наночастицы золота или серебра, область стекла превращается в нелинейный кристалл или внезапно возникают зоны со строго повторяющейся периодической структурой (нанорешетки)».
Таблица Менделеева под микроскопом без поляризаторов Таблица Менделеева под микроскопом с поляризаторами
Миниатюрную таблицу Менделеева нарисовали именно с помощью нанорешеток: они обладают свойством двулучепреломления. То есть луч, проходящий через область с такой периодической структурой, разделяется на две компоненты, которые идут через материал разными путями и с разной скоростью, а затем воссоединяются на выходе из него, что приводит к появлению интерференционной окраски.
При этом цветом можно управлять, меняя интенсивность лазерного излучения и записывая несколько нанорешеточных слоев друг на другом. Ученые варьировали эти параметры от одной ячейки таблицы к другой, и в результате они стали цветными. Правда в обычном оптическом микроскопе эти цвета не видны, и все ячейки окрашены только в разные оттенки коричневого цвета, но если в микроскоп вставить скрещенные поляризаторы, тогда она становится цветной (это связано с тем, что прохождение света через нанорешетки также меняет поляризацию излучения). Шесть основных типов элементов (щелочные металлы, инертные газы и др.) выполнены в шести разных оттенках коричневого и голубого.
Сделано на века
Ученые кафедры стекла РХТУ в процессе синтеза стекла
Общий размер Таблицы получился 3.6 на 2.4 мм, уместится на кончике ногтя, а каждая ячейка с химическим элементом вышла размером всего 200*200 микрон – не больше диаметра иглы шприца. Кроме того, Таблица устойчива перед температурой. Эксперименты показали, что нагрев до 900°С (температура бытового пожара) и резкое охлаждение стекла не влияет на изображение записанной Таблицы. Это делает созданное в РХТУ стекло с нанорешетками самым надежным хранилищем для Таблицы Менделеева.
Любая картинка процесса на твой вкус
«Ученые погружены в узкую научную тематику, читают статьи и обзоры в области своих исследований и редко выходят далеко за ее границы. А тема стекла — очень многогранна, это стык неорганической химии и физики. Поэтому мы решили опубликовать статью в журнале Frontiers in Chemistry и соединить там химические и физические явления, связанные со стеклом» — комментирует Шахгильдян. «Этот выпуск журнала посвящен 150-летию Таблицы Менделеева, многим химикам со всего мира будет интересно его содержание, они смогут открыть для себя возможности прямой лазерной записи в стекле и других прозрачных материалах».
Ученые кафедре стекла РХТУ за работой
Кроме того, использованный учеными метод формирования нанорешеток в стекле подходит для записи данных. «Исследования нашей кафедры в области лазерной записи в стеклах привели к запуску в РХТУ первого в мире проекта по созданию технологии оптической памяти на основе стекла» — рассказывает профессор Сигаев. «Эту идею подхватила компания Microsoft и тоже работает в данном направлении. Технология лазерной записи массивов данных в стекле пока имеет ряд ограничений, но в случае их преодоления нами или другими научными группами, будут созданы носители данных с неограниченным сроком службы».
Работа была выполнена при поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева, грант № 2020-20.
Статья:
Shakhgildyan, G., Lipatiev, A., Lotarev, S., Fedotov, S., & Sigaev, V. (2020). Glass: Home of the Periodic Table. Frontiers in Chemistry, 8, 384. DOI: 10.3389/fchem.2020.00384.
Источник:
