В принципе, CD-R-диски мало чем отличаются от CD-ROM-дисков. В конструкцию внесено лишь одно изменение, позволившее записывать информацию на такие диски в домашних условиях. Отражающий металлический слой не имеет пиитов, он абсолютно ровный, однако между ним и поликарбонатом добавлен еще один слой --регистрирующий. Этот слой представляет собой особое вещество, способное изменять свою светопропускающую способность. Обычно используются цианин и фталоцианин. В процессе записи лазер, проходя над определенными зонами, своим лучом нагревает их. Участки регистрирующего слоя при нагревании становятся мутными. При чтении информации эти участки выполняют роль питов, поскольку не отражают луч лазера целиком, а рассеивают его. Если же в данном месте регистрирующий слой прозрачен, луч проходит через него и, отражаясь от металлического слоя, попадает на светочувствительную область. Восстановить прозрачность участков регистрирующего слоя невозможно, благодаря чему информация защищена от перезаписи; тем не менее, данные могут быть потеряны при воздействии на диск ярких солнечных лучей или высокой температуры (в этом случае прозрачные участки станут непрозрачными).

Регистрирующий слой CD-RW-диска представляет собой более сложное по составу и дорогостоящее вещество, нежели у CD-R. Фазовые состояния этого вещества легко регулируются при помощи температурного воздействия; оно проявляет т.н. аморфные свойства. При нагревании такое вещество не переходит сразу в жидкое состояние, а становится вязким и мутным -- аморфным. Принцип записи на CD-RW-дисках состоит в следующем: проходя над определенной областью диска, мощный луч лазера нагревает регистрирующий слой до высокой температуры и отключается. Участок изначально кристаллического слоя после сильного нагревания становится аморфным, а резкое остывание (после отключения лазера) фиксирует это состояние. Процесс чтения полностью аналогичен процессу чтения CD-R-диска. При перезаписи вещество переходит из аморфного состояния в кристаллическое после небольшого нагрева; этот процесс идет и при нормальных условиях (медленно), а потому информация, хранящаяся на CD-RW-диске, будет безвозвратно утеряна в течение нескольких лет. Ещё одной особенностью CD-RW-дисков является частичное отражение света регистрирующем слоем (даже в аморфном состоянии); вследствие этого разделение на импульс ("единица") и отсутствие импульса ("ноль") не представляется возможным. Для CD-RW-дисков необходимо разделение по принципу слабый импульс ("ноль") и стандартный импульс, полное отражение луча ("единица"). Именно поэтому большинство музыкальных устройств не работают с CD-RW-дисками.

Отличие DVD-дисков от рассмотренных выше заключается в том, что их запись (чтение) осуществляется лазерным лучом со значительно более короткой длиной волны. Это позволило значительно уменьшить размеры пиитов, и, соответственно, повысить их плотность на диске, что и является причиной гораздо большей ёмкости DVD.

Синтезы фотохимии

Фотохимические реакции позволяют осуществлять промышленный синтез веществ, которые сложно или просто невозможно получить с помощью обычных "тепловых" химических реакций. Использование света в тонком химическом синтезе совсем немного удорожает производство, при этом не существует никаких особых ограничений на применение фотохимических процессов. Среди продуктов тонкого органического синтеза: витамин D3 (добавляемый в пищу животным), простагландины (гормоны, применяющиеся в химиотерапии), оксиды розового масла (используемые в парфюмерии). Крупнотоннажное химическое производство предъявляет повышенные требования к эффективности фотохимических процессов, поскольку энергетические расходы здесь могут составлять значительную часть его полной стоимости. По-видимому, наиболее эффективными являются при этом цепные фотохимические реакции. Фотохимическая технология применяется в крупнотоннажном производстве g-гексахлорциклогексана (гаммексана, или линдана, ценного инсектицида), алкансульфонатов (поверхностно-активных добавок и эмульгаторов), капролактама (одного из предшественников найлона).

Новые направления в фотохимии. Лазерная нанотехнология

Позиционирование атомов фокусированным лазерным лучом

Все компьютерные микропроцессоры изготавливаются на кремниевой подложке методом фотолитографии (см. выше, фоторезисты). Увеличивая частоту колебаний световой волны (переходя от зеленого света к синему, а потом и к ультрафиолетовому), можно уменьшить ширину линии рисунка, т. е. и размеры интегральной схемы в целом.

На сегодняшний день, однако, возможности этой технологии исчерпаны: следующие за ультрафиолетовыми рентгеновские лучи трудно сфокусировать, и потому рентгеновская литография используется крайне редко. Один из вариантов решения проблемы - использование самого света в качестве шаблона. Дж. Дж. Макклеланд со своими коллегами из Национального института стандартов и технологии (США) применил этот метод, чтобы изготовить решетку из хромированных точек на маленькой кремниевой пластине. Размер точки - всего 80 нм - значительно меньше разрешающей способности, обеспечиваемой ультрафиолетовыми лучами. С дальнейшим развитием этой технологии станет возможным размещение 2 млрд интегральных схем на площади в 1 см2 всего за несколько минут.

В основе данной технологии лежит использование в качестве линзы лазерного луча. Плотный узкий пучок атомов хрома, получаемый при нагревании навески хрома в СВЧ-печи, пропускают сквозь пучок лазерного излучения, частота которого близка к частоте собственных колебаний атомов хрома. В результате атомы теряют энергию, т. е. охлаждаются. Непосредственно перед кремниевой подложкой эти атомы попадают в еще один лазерный пучок - примерно той же частоты, что и первый. Будучи отраженным от зеркала, этот пучок образует стоячую волну, т. е. волну, пучности и узлы которой фиксированы в пространстве.

Натолкнувшись на такую стоячую волну, атомы хрома вынуждены двигаться либо вверх, к гребню волны, либо вниз, к узлу между гребнями. Таким образом, волна играет роль линзы, отклоняя проходящие сквозь нее атомы от прямой траектории на половину длины волны и выстраивая их в аккуратные линии на поверхности кремниевой пластины. Если пластину осветить двумя взаимноперпендикулярными лазерными пучками, как это сделал Макклеланд, линии превратятся в правильную совокупность точек - решетку. Следующий этап - сканирование лазером поверхности для создания произвольного рисунка интегральных наносхем.

Внедрение данной технологии в промышленность связано, однако, с рядом нерешённых проблем:

- не все атомы фокусируются;

- вероятно, будет невозможно стравливать материал, не разрушая рисунка соединений.

Тем не менее, возможность создания схем с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние, позволяет считать данную технологию весьма перспективной.

Лазерная чистка нанотрубок

Углеродные нанотрубки (УНТ) вследствие своего необычного кристаллического строения обладают уникальными электрическими и механическими свойствами. В частности, благодаря ним УНТ имеют огромное количество применений. Свойства УНТ, не очищенных от загрязнений, появляющихся в процессе синтеза, в значительной степени теряются. Поэтому постоянно растет потребность в химически чистых недефектных нанотрубках, однако очистить УНТ от слоя аморфного углерода, покрывающего всю их поверхность, оказывается крайне сложно и дорого. Возможное решение этой проблемы нашли ученые из Политехнического Института Вирджинии (Virginia Polytechnic Institute): они обнаружили, что луч лазера определенной частоты эффективно и быстро удаляет аморфный углерод, не повреждая при этом сами нанотрубки.

Открытие было сделано случайно: исследователи использовали лазер для калибровки чувствительности покрытых углеродными нанотрубками детекторов, не подозревая о его способности чистить нанотрубки. Оказалось, что ультрафиолетовый свет длиной волны 248 нм от эксимерного лазера заставляет слой аморфного углерода отслаиваться от стенок нанотрубки, не нанося при этом никакого ущерба самой УНТ. Это означает, что выход продукта, то есть очищенных УНТ, будет гораздо выше, чем в химических методах очистки. Кроме того, весь процесс занимает менее трех минут, в сравнении с несколькими часами и даже днями в других методах.

Природа этого феномена ещё не ясна. Есть предположение, что отделение углеродного слоя связано ?-плазмонным резонансом, вызванным фотонами с длиной волны 248 нм. Другая гипотеза объясняет это явление окислением углерода озоном, формирующимся под действием излучения эксимерного лазера. Для прояснения механизма планируется провести ряд дополнительных экспериментов, в том числе в бескислородной среде.

Лазерная нанохирургия

Одной из перспектив применения нанотехнологий является нанохирургия - операции над отдельными клетками. Создание подобной технологии произведёт настоящую революцию в медицине, однако разработанные к настоящему моменту методики микроинъекций в отдельные клетки либо недостаточно эффективны, либо не обеспечивают дальнейшую жизнеспособность инъецированной клетки. Пробиться сквозь защитный слой живой клетки млекопитающего, не умертвив ее при этом, оказалось невероятно сложно.

Учеными Ренсслеровского Политехнического института (Rensselaer Polytechnic Institute, NY) был предложен новый метод пункции клеток. Они использовали тонкий луч лазера в ближней ИК-области спектра, пульсирующий с частотой 1 фемтосекунду, для создания поры - отверстия в клеточной мембране. Луч служил в качестве своеобразной иглы, протыкающей стенку клетки и таким образом заставляющей ее впитывать окружающий материал. Для подтверждения успешных инъекций ученые помечали вводимое вещество йодным красителем, что позволяло наглядно видеть результаты инъекций в микроскоп.

Дальнейшие исследования показали, что размер пор и, соответственно, количество впитываемого клеткой материала, напрямую зависит от интенсивности излучения лазера. Ученые также определили пределы максимально допустимой интенсивности излучения, при которой выживают клетки, и минимально требуемой для того, чтобы клетка начала вбирать в себя вещество. Это позволит в дальнейшем точно дозировать количество молекул веществ, вводимых в клетку.

Фотокатализ в очистке воды и воздуха

Фотокатализ - изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий. В процессах очистки воды и воздуха от органических примесей в качестве фотокатализатора используют исключительно ТiO2.

ТiO2 - полупроводниковое соединение. Электроны в полупроводниках могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. В первом состоянии электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Тi4+ и анионами кислорода О2-. В основном состоянии электроны связаны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длиной волны < 390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы ТiO2 рождаются свободный электрон и электронная вакансия (дырка). Электрон и дырка -- достаточно подвижные образования, и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон -- это, вероятно, Тi3+ на поверхности, а дырка локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О-. Эти частицы чрезвычайно реакционноспособны: потенциал электрона

~ -0,1 В, потенциал дырки ~ + 3 В относительно нормального водородного электрода. Таким образом, электрон может реагировать с кислородом:

При этом образуются такие мощные окислители, как OH- и О-радикалы. В водных растворах или при низких концентрациях кислорода электрон может реагировать с молекулой Н2О, образуя гидроксид-ион и радикал Н.

Дырка реагирует либо с водой

h + H2O OH + H+

либо с любым адсорбированным органическим (в некоторых случаях и неорганическим) соединением:

ОН-радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. Таким образом, поверхность ТiO2 под светом становится сильнейшим окислителем.

Очистка воздуха от органических примесей

К настоящему моменту уже показано, что на поверхности ТiO2 могут быть окислены (минерализованы) до СО2 и Н2О практически любые органические соединения. Если в состав соединений входят азот или атомы галогена X, то в продуктах реакции будут наблюдаться HNO3 и НХ. Единственным известным примером соединения, которое не подвергается на поверхности ТiO2 окислению под действием света, является тетрахлорметан, но уже трихлорэтилен разрушается на ТiO2 под действием света с квантовым выходом, превышающим единицу. Это связано с тем, что на поверхности ТiO2 может образовываться атомарный С, который, десорбируясь с поверхности, стимулирует цепной процесс разложения исходного трихлорэтилена.

На практике любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным ТiO2, который облучается светом и через который продувается воздух. Так, на рисунке показано устройство бытового фотокаталитического очистителя воздуха, разработанного Информационно-технологическим институтом (Москва) и Институтом катализа Сибирского отделения РАН.

Фотокаталитический очиститель воздуха

Органические молекулы из потока адсорбируются на поверхности фотокатализатора, нанесенного на пористое стекло (фотокаталитический фильтр), и окисляются до углекислого газа и воды под действием света от УФ-лампы.

Использование фотокатализа для очистки воды от органических примесей

Так же, как и в воздухе, в воде органические примеси, попав на поверхность частицы ТiO2, могут быть окислены до СО2 и Н2О. К настоящему времени показано, что в облучаемых суспензиях ТiO2 этому процессу подвержены практически любые органические соединения. Однако, как правило, характерные времена полного окисления составляют несколько часов, что частично связано с существенно более медленной диффузией органических молекул в воде, нежели в воздухе. Типичный ко-ффициент диффузии в воде составляет около 10-5 см2/с, что по крайней мере на четыре порядка меньше, чем в воздухе при нормальных условиях. По этой причине проточные реакторы с нанесенным ТiO2 малоэффективны. Использование суспензии ТiO2 технологически считается не совсем удобным, так как требует последующего удаления ТiO2 из потока. В принципе эти проблемы решаются, однако до сих пор не известны примеры практического использования проточных фотокаталитических реакторов с гетерогенным катализатором из ТiO2.

Наиболее перспективно использование ТiO2 для очистки сточных вод в накопительных резервуарах и отстойниках. Показано, что пестициды, используемые в сельском хозяйстве, в водоемах разрушаются в течение нескольких месяцев. Добавление небольших количеств безвредного ТiO2 позволяет сократить это время до нескольких дней без использования искусственных источников света, так как процесс идёт под действием солнечного света.

Существующие проточные реакторы для очистки воды от органических примесей используют гомогенные фотокатализаторы типа солей железа, при этом в воду добавляется и окислитель -- перекись водорода. В общих чертах механизм действия такой системы можно описать следующим образом:

Fe2+ + H2O2> Fe3+ + OH- + OH,

Fe2+ + OH >Fe3+ + OH-,

OH + H2O2 >HO2 + H2O,

HO2 + Fe3+ >Fe2+ + H+ + O2,

Раствор перекиси водорода и соли железа называют реагентом Фентона. Как видно, в ходе процесса разложения перекиси водорода образуется ОН-радикал, который является сильнейшим окислителем. Эта частица и ответственна за окисление органических соединений в растворе. Под действием света скорость процесса окисления может увеличиться в десятки и даже сотни раз; система носит название "Фото-Фентон". И хотя механизм действия света еще окончательно не понят, система уже нашла практическое применение из-за простоты, высокой эффективности и экономичности. В частности, технологическое оборудование для очистки сточных вод по методу "Фото-Фентон" поставляется фирмой "Calgon Carbon Oxidation Technologies", USA.

Супромолекулярная фотохимия

Успехи в области молекулярной фотохимии позволили перейти к практическому решению таких глобальных задач, как создание искусственных молекулярных фотокаталитических систем для конверсии солнечной энергии в химическую, запись, хранение и переработка информации, создание экологически чистых фототехнологий получения веществ.

Исследования процессов, протекающих в биосистемах, показывают, что их высокая эффективность связана не столько с уникальностью молекул, участвующих в том или ином процессе (например, родопсина в зрительном восприятии информации или хлорофилла при фотосинтезе), сколько со сложной структурной и функциональной организацией разнообразных компонентов биосистемы - супрамолекулярным уровнем организации материи. По-видимому, именно супрамолекулярный уровень организации вещества в биосистемах и обеспечивает эффективное выполнение ими сложных функций, в частности, по преобразованию солнечной энергии в химическую, получению и переработке информации. По образному выражению нобелевского лауреата по химии за 1987 год Ж.-М. Лена, для того чтобы прочитать книгу жизни, то есть понять химические принципы функционирования биосистем, недостаточно знать буквы алфавита (атомы химических элементов) и уметь складывать из них отдельные слова (индивидуальные молекулы), необходимо понимать смысл всего предложения, зависящий от структурного расположения слов в предложении (супрамолекулярная система).

Успехи в развитии молекулярной химии, с одной стороны, и клеточной биологии - с другой, определили формирование и интенсивное развитие в конце XX века нового, пограничного (с точки зрения структурной организации вещества) направления - супрамолекулярной химии. Точно так же как взаимодействие атомов химических элементов приводит к образованию различных молекул, так и взаимодействие молекулярных компонентов может приводить к образованию супрамолекулярных структур - супрамолекул. Следует отметить, что до настоящего времени нет общепринятого, строгого определения супрамолекулярных частиц. Это связано с большим многообразием различных типов взаимодействий между компонентами супрамолекул (водородная связь, ван-дер-ваальсово, донорно-акцепторное, ион-ионное взаимодействие) и как следствие этого - большим разнообразием супрамолекулярных систем. Тем не менее основным признаком, позволяющим отделить супрамолекулы от обычных больших молекул, является возможность выделения в супрамолекулярных системах индивидуальных молекулярных компонентов (структурных единиц супрамолекулы), способных к самостоятельному существованию. Такие компоненты (называемые активными компонентами супрамолекулы) характеризуются своим электронным строением и как следствие этого - своим набором физико-химических свойств, которые при их участии в супрамолекулах в значительной степени сохраняются. Это не означает, конечно, что свойства супрамолекул являются простой суперпозицией свойств активных компонентов. Наоборот, наличие в супрамолекулах нескольких компонентов приводит к появлению качественно новых свойств, прежде всего связанных с процессами переноса электрона и энергии между компонентами. Именно изучение новых фотохимических и фотофизических свойств супрамолекул и является объектом исследования супрамолекулярной фотохимии.

Сочетание в супрамолекулах основных свойств их активных компонентов (которые могут быть предварительно изучены) и новых свойств, связанных с процессами переноса электрона и энергии между ними, открывает широкие возможности конструирования искусственных супрамолекулярных систем, способных при фотовозбуждении осуществлять направленный перенос заряда и энергии - своеобразных фотохимических молекулярных устройств. Создание электронных устройств на основе супрамолекул обеспечивает как увеличение их быстродействия, так и уменьшение потребляемой при их работе мощности (ярким примером является развитие компьютеров). Размер современных сверхбольших интегральных схем, содержащих ~106 схемных элементов (транзисторов, диодов, резисторов), встроенных в поверхностный слой кристалла кремния и функционирующих как единое целое, достигает 1 мкм. В то же время, по оценкам некоторых специалистов, при трехмерной архитектуре применение молекулярных компонентов цепей с промежутками порядка 10-2 мкм обеспечило бы в миллион раз большую компактность, чем достижимая ныне.

Создание таких молекулярных электронных и оптоэлектронных устройств на основе супрамолекулярных систем, молекулярные компоненты которых обеспечивали бы выполнение сложных функций направленного переноса заряда или энергии (аналогично полупроводниковым интегральным схемам и оптоэлектронным устройствам), напрямую зависит от развития как самой супрамолекулярной химии, так и фотохимии супрамолекулярных систем.

Список использованной литературы и Интернет-ресурсов

1. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4903.html

2.tp://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/FOTOHIMIYA.html#1004604-L-106

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/

4. http://n-t.ru/ri/kk/hm17.htm

5. http://allchem.ru/pages/encyclopedia/1427

6.ttp:www.orelsau.ru/index.php?faculty=0&chair=0&page=0&unit=63&page_sk=50

7. В.В. Поляков, С.П. Мирошниченко Методическое пособие по курсу «Бытовая электроника». Основы ксерокопирования. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 40 с.

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотохромизм

9. http://femto.com.ua/articles/part_2/4385.html

10.http://student.km.ru/ref_show_frame.asp?id=2FBD5A77DED9498BACF0A1D1128A868B

11.http://www.nanometer.ru/2007/08/23/laser_3945.html

12.http://www.nanometer.ru/2007/05/29/nanoparticle.html

13.http://www.aerolifeshop.ru/clean_4.html

14.Детлаф А. А., Яворский Б. М. "Курс физики". Москва, изд-во Academa, 2003. 720 c.

15.Новости мирового атомного рынка, информационно-аналитический бюллетень 4.2009

16.Комов В. П., Шведова В. Н. "Биохимия". Москва, изд-во Дрофа, 2006. 638

17.http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/627.html

Страницы: 1, 2, 3, 4