Профессии холодного света – люминесценция в науке и технике
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Представьте, вам нужно отыскать мельчайшую трещину на огромной лопасти турбины. Если вовремя не обнаружить невидимого врага размером всего в несколько тысячных долей миллиметра, быть беде. Авария. Погибнут люди или в ответственный момент выйдет из строя ценнейшая аппаратура. Ультразвук, гамма-лучи — все бесполезно. Обработаем деталь раствором люминофора, который проникает во все трещины. Затем раствор с поверхности удалим и покроем ее тонким, слоем вещества, которое хорошо впитывает люминофор, оставшийся в трещинах. Включен источник невидимых ультрафиолетовых лучей, и в темноте яркое свечение безошибочно указывает места, где находятся трещины, даже самые мельчайшие.
Песчинки в море
Займемся теперь поисками песчинок в море. С такой странной задачей столкнулись строители морских и речных сооружений. Дело в том, что пески под водой движутся. И если заранее не изучить эти песчаные течения, могут случиться крайне неприятные вещи. Выстроен, скажем, морской порт, а песчаные течения начинают заносить его дно. Приходится систематически вычерпывать песок, углублять дно, тратить на это громадные средства. Как-то из одного порта много лет подряд вычерпывали песок и выбрасывали его далеко в море. А потом обнаружилось… Но прежде о том, как удалось проследить за движением песков.
Сначала пробовали высыпать в море песок, окрашенный яркой краской. Но и десятки килограммов меченого песка — «капля в море». Обнаружить даже самые ярко окрашенные песчинки среди груды обычного песка невозможно.
Применить радиоактивный песок? Но при больших масштабах исследований это, как известно, чревато опасными последствиями.
Предложили метить песок люминофором. Песчаные течения перестали быть невидимками. И вот тут обнаружилось, что песок из порта, о котором шла речь, много лет вывозили в море именно в то место, откуда он… прямым путем возвращался в порт. А нельзя ли так же, как песчаные течения, исследовать, куда перемещается воздух?
И геофизики стали применять люминесцентный аэрозоль — легкий порошок, который, как песчинки в море, подхватывается потоком воздуха и движется вместе с ним. Не беда, что рассеиваясь в воздухе, мельчайшие частицы порошка скоро перестают быть видны. Достаточно взять пробы воздуха с помощью… кусочков липкой бумаги. Невидимые частицы аэрозоля прилипают к бумаге, а в темноте под ультрафиолетовыми лучами они сразу превращаются в яркие светящиеся искры. Сравнивая количества частиц, «попавшихся» в различных местах, можно построить карту воздушных потоков.
Таким же способом нетрудно проверить работу вентиляционных систем в шахтах… Если использовать светящиеся разными цветами аэрозоли, можно наблюдать картину взаимодействия воздушных струй в моделях аппаратов и приборов. В этом случае, не нужна липкая бумага. При большом количестве аэрозоля засветится весь объем воздушного потока.
Можно пометить люминофором и водные течения. Так, в частности, обнаружили подземную связь между водными системами Рейна и Дуная.
Свет и цвет
Часто ли вы в дождливую, туманную погоду обращаете внимание на какие-либо дорожные знаки, указатели? Можно поспорить, что обычно вы проходили мимо, даже не замечая их. Ведь знаки не так уж резко выделяются на окружающем фоне. Ну, а к чему это может привести в век миллионов машин и отнюдь не черепашьих скоростей, пояснять не требуется.
Хорошо бы увеличить яркость знаков, чтобы они сами в глаза бросались. Но обычные краски и так уже «трудятся» на пределе возможностей. Не заставишь же краску излучать, скажем, в несколько раз больше красного света, чем на нее падает!
Впрочем, почему бы и нет? Многие читатели, возможно, видели на рекламных объявлениях краски необычной яркости. Кажется, что они светятся. И это действительно так, хотя электричество тут ни при чем. Разгадка не очень проста. Обычные краски, отражая лучи одного цвета, поглощают все остальные. Но так ли обязательно, чтобы эти поглощенные лучи «погибали» без всякой пользы?
Оказалось, можно синтезировать такие люминофоры, которые не только отражают лучи нужного цвета, но одновременно превращают в лучи того же цвета весь поглощенный свет с меньшей длиной волны. В зеленый свет превращаются ультрафиолетовые и синие лучи. Люминофоры желтого свечения используют в качестве «топлива» энергию от ультрафиолета до зеленой области спектра. Ну, а в красный свет люминофоры могут превращать и ультрафиолетовые, и любые лучи видимого спектра.
Краски (их называют «дневные люминесцентные»), приготовленные на основе таких люминофоров, «работают», не теряя даром поглощенные лучи, а превращая их почти целиком в свечение нужного цвета. В результате даже в тумане и в непогоду, когда красных и желтых лучей в спектре дневного света очень мало (преобладают синие) и обычные красные краски почти не видны, знаки, покрытые красной люминесцентной краской, светятся словно огни. В Англии, где туман частый гость, их применяют для окраски городского транспорта. А фермеры в некоторых странах метят дневными красками даже… овец, чтобы их легко было отыскать, если они отобьются от стада.
Говоря о светящихся красках, нельзя не вспомнить о пионере люминесцентной живописи, художнике Е. Мандельберге. Он использовал для своих работ люминофоры, не отличающиеся большой, яркостью при дневном свете, а иногда и совсем бесцветные (таких люминофоров много), но обладающие ярким свечением под действием ультрафиолетовых лучей. В темноте картины Мандельберга оживали. Сквозь туман над утренним озером начинали пробиваться солнечные лучи, зажигались огни в домах на берегу моря… Мандельберг создал новый вид театральных декораций. Некоторые из его эскизов были совсем необычны. На них прямо на глазах у зрителя летний пейзаж превращался в зимний (нарисованный поверх летнего невидимыми люминесцентными красками), среди леса вдруг возникал сказочный замок…
За годы, прошедшие со времени первых картин Мандельберга, создано много новых люминесцентных красок. И я надеюсь, что читатели смогут сами полюбоваться ими во время театральных или цирковых представлений.
Ювелиры в биологии
Знаменитый Левша из повести Лескова ухитрился не только подковать металлическую блоху, но и пометить каждый гвоздик в подкове, написав на нем свое имя. С помощью люминофоров биологи метят объекты гораздо более мелкие. Как узнать, например, где именно расположены в живой клетке молекулы нуклеиновых кислот — знаменитых ДНК и РНК? Обнаружить их с помощью обычного микроскопа даже при самых больших увеличениях не удается. Если же предварительно окрасить их люминофором, задача упрощается (этот метод, в несколько десятков раз эффективнее всех остальных). Но окрасить разные части клетки надо по-разному.
Кисточек для окраски молекул пока не существует. Поэтому биологи применяют специальные люминофоры строго избирательного действия. Например, краситель акридиновый оранжевый реагирует при определенных условиях только с молекулами ДНК и РНК (в первом случае он дает преимущественно зеленую люминесценцию, во втором — красную), не затрагивая при этом белковых молекул.
Люминесцентная микроскопия широко применяется в биологии и в медицине. Иногда по цвету люминесценции удается отличить живые клетки от мертвых. Избирательно действующие люминофоры позволяют метить и отдельные виды микроорганизмов.
Сейчас, например, не требуется напрягать зрение, выискивая среди прочих бактерий возбудителей дифтерита. Краситель корифосфин превращает их в ярко светящиеся на темном фоне звездочки. А при исследовании возбудителей туберкулеза и проказы так же действует аурамин. Порой, когда от быстроты диагноза зависит жизнь людей, люминофоры оказываются незаменимыми помощниками врача.
Также многие современные промышленные экологические лаборатории обязательно в своем арсенале имею инновационное люминесцентное оборудование.
Кошки и светлячки
Люминофор помогает увидеть не только микрообъекты, с его помощью можно стать зрячим в темноте, в полной темноте, когда ничего не видит даже кошка. Вы, наверняка, слышали об электронно-оптических преобразователях и приборах ночного видения.
Они широко применяются и в военном деле, и при научных исследованиях. Принцип их действия основан на том, что помимо обычных лучей видимого света все окружающие нас предметы испускают и отражают невидимые тепловые или инфракрасные лучи.
Инфракрасное изображение предмета можно сфокусировать на экран, покрытый веществом, у которого под действием инфракрасных лучей увеличивается способность испускать электроны. Эти электроны приобретают большую скорость в сильном электрическом поле и попадают на второй экран, покрытый специальным люминофором, способным светиться за счет энергии быстро движущихся электронов. Так инфракрасное изображение преобразуется в видимое.
С помощью люминофоров мы «превзошли» не только кошек, но и светлячков. В герметический пакет помещается вещество, которое начинает ярко светиться при химической реакции с кислородом воздуха. Достаточно надорвать оболочку — и фонарик включен. Сильнее надорван пакет — интенсивнее свечение. Яркости такого фонарика, действительно, позавидует любой светлячок, хотя принцип свечения у них один и тот же — использование энергии химической реакции окисления.
А в чем еще применение люминесценции?
- Люминофоры, испускающие синий свет под действием ультрафиолетовых лучей солнечного спектра, применяют для придания особой белизны тканям и бумаге.
- В сцинтилляционных счетчиках, без которых были бы невозможны многие достижения ядерной физики, люминофоры дают вспышки света под действием быстрых частиц.
- Изменение яркости и формы спектра люминесценции резины может быстро сигнализировать о степени и характере ее вулканизации.
- Люминесценция позволяет обнаруживать ничтожные количества канцерогенных веществ, вызывающих рак, следы нефти при геологических исследованиях.
- Люминесценция применяется для изучения структуры полимеров, процессов взаимодействия света с веществом, механизма фотохимических реакций.
- Различие в цвете люминесценции здоровых тканей и пораженных раком помогает хирургу во время операции.
- По цвету люминесценции легко отличить среди зерен пшеницы похожие на них зерна сорняка, найти незаметные на глаз повреждения на поверхности зерен, определить жизнеспособность семян.
- С помощью особых люминофоров в считанные минуты определяется жирность молока.
Всех применений не перечислить. Пестрый народец люминофоров прочно поселился на всех этажах прекрасного здания науки и техники.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.