Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева создали микроизображение знаменитой таблицы 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 3,6×2,4 мм и она выдерживает температурное воздействие до 900°С. Работа опубликована в специальном номере журнале Frontiers in Chemistry, посвященном таблице Менделеева и напоминает, что стекло может включать в себя почти все элементы таблицы.

Таблица Менделеева, записанная лазером в стекле...

Таблица Менделеева, записанная лазером в стекле. Источник: Shakhgildyan, G. et. al. / Frontiers in Chemistry

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 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».

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.

Кроме разработки новых составов ученые могут изменять свойства стекол в 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, записанная лазером в стекле...

Таблица Менделеева, записанная лазером в стекле, (вверху) вид с микроскопа в обычном режиме (без скрещенных поляризаторов); (внизу) вид с микроскопа в режиме скрещенных поляризаторов. Источник: Shakhgildyan, G. et. al. / Frontiers in Chemistry

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.

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

РХТУ им. Д.И. Менделеева — ведущий российский химико-технологический университет с более чем 120-летней историей. В РХТУ ведутся фундаментальные и прикладные исследования мирового уровня в области химии и химической технологии. Приоритетные направления исследований и разработок: биотехнологии, агрохимия, фармацевтические технологии, нефтехимия и экология, новые материалы и материаловедение, цифровое проектирование и цифровизация предприятий химического комплекса.

Контакты автора работы: Георгий Шахгильдян, georgiy.shahgildyan@gmail.com, +79035285742