Професії холодного світла – люмінесценція в науці і техніці
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Уявіть, вам потрібно відшукати найдрібнішу тріщину на величезній лопаті турбіни. Якщо вчасно не виявити невидимого ворога розміром всього в кілька тисячних часток міліметра, бути біді. Аварія. Загинуть люди або у відповідальний момент вийде з ладу найцінніша апаратура. Ультразвук, гамма-промені — все марно. Обробимо деталь розчином люмінофора, який проникає в усі тріщини. Потім розчин з поверхні видалимо і покриємо її тонким, шаром речовини, яка добре вбирає люмінофор, що залишився в тріщинах. Включене джерело невидимих ультрафіолетових променів, і у темряві яскраве світіння безпомилково вказує місця, де знаходяться тріщини, навіть найдрібніші.
Піщинки в море
Займемося тепер пошуками піщинок в морі. З таким дивним завданням зіткнулися будівельники морських та річкових споруд. Справа в тому, що піски під водою рухаються. І якщо заздалегідь не вивчити ці піщані течії, можуть трапитися вкрай неприємні речі. Збудований, скажімо, морський порт, а піщані течії починають заносити його дно. Доводиться систематично вичерпувати пісок, поглиблювати дно, витрачати на це величезні кошти. Якось з одного порту багато років поспіль вичерпували пісок і викидали його далеко в море. А потім виявилося… Але перш про те, як вдалося простежити за рухом пісків.
Спочатку пробували висипати в море пісок, пофарбований яскравою фарбою. Але і десятки кілограмів міченого піску — «крапля в морі». Виявити навіть найяскравіші піщинки серед купи звичайного піску неможливо.
Застосувати радіоактивний пісок? Але при великих масштабах досліджень це, як відомо, загрожує небезпечними наслідками.
Запропонували мітити пісок люмінофором. Піщані течії перестали бути невидимками. І ось тут виявилося, що пісок з порту, про який йшла мова, багато років вивозили в море саме в те місце, звідки він… прямим шляхом повертався в порт. А чи не можна так само, як піщані течії, досліджувати, куди переміщається повітря?
І геофізики стали застосовувати люмінесцентний аерозоль — легкий порошок, який, як пісок в морі, підхоплюється потоком повітря і рухається разом з ним. Не біда, що розсіюючись в повітрі, найдрібніші частинки порошку скоро перестають бути видні. Досить взяти проби повітря за допомогою… шматочків липкого паперу. Невидимі частинки аерозолю прилипають до паперу, а в темряві під ультрафіолетовими променями вони відразу перетворюються в яскраві сяючі іскри. Порівнюючи кількості частинок, що «попалися» в різних місцях, можна побудувати карту повітряних потоків.
Таким же способом неважко перевірити роботу вентиляційних систем в шахтах… Якщо використовувати світні різними кольорами аерозолі, можна спостерігати картину взаємодії повітряних струменів в моделях апаратів і приладів. В цьому випадку, не потрібний липкий папір. При великій кількості аерозолю засвітиться весь об’єм повітряного потоку.
Можна помітити люмінофором і водні течії. Так, зокрема, виявили підземний зв’язок між водними системами Рейну та Дунаю.
Світло і колір
Чи часто ви в дощову, туманну погоду звертаєте увагу на будь-які дорожні знаки, вказівники? Можна посперечатися, що зазвичай ви проходили повз, навіть не помічаючи їх. Адже знаки не так вже різко виділяються на навколишньому тлі. Ну, а до чого це може привести в століття мільйонів машин і аж ніяк не черепашачих швидкостей, пояснювати не потрібно.
Добре б збільшити яскравість знаків, щоб вони самі в очі кидалися. Але звичайні фарби і так вже “трудяться” на межі можливостей. Не змусиш ж фарбу випромінювати, скажімо, в кілька разів більше червоного світла, ніж на неї падає!
Втім, чому б і ні? Багато читачів, можливо, бачили на рекламних оголошеннях фарби незвичайної яскравості. Здається, що вони світяться. І це дійсно так, хоча електрика тут ні при чому. Розгадка не дуже проста. Звичайні фарби, відбиваючи промені одного кольору, поглинають всі інші. Але чи так обов’язково, щоб ці поглинені промені “гинули” без будь-якої користі?
Виявилося, можна синтезувати такі люмінофори, які не тільки відбивають промені потрібного кольору, але одночасно перетворюють в промені того ж кольору все поглинене світло з меншою довжиною хвилі. В зелене світло перетворюються ультрафіолетові і сині промені. Люмінофори жовтого світіння використовують в якості “палива” енергію від ультрафіолету до зеленої області спектра. Ну, а в червоне світло люмінофори можуть перетворювати і ультрафіолетові, і будь-які промені видимого спектра.
Фарби (їх називають “денні люмінесцентні”), приготовані на основі таких люмінофорів, «працюють», не втрачаючи дарма поглинені промені, а перетворюючи їх майже цілком в світіння потрібного кольору. У результаті навіть в тумані і в негоду, коли червоних і жовтих променів в спектрі денного світла дуже мало (переважають сині) і звичайні червоні фарби майже не видно, знаки, вкриті червоною люмінесцентною фарбою, немов вогні. В Англії, де туман частий гість, їх застосовують для фарбування міського транспорту. А фермери в деяких країнах мітять денними фарбами навіть… овець, щоб їх легко було відшукати, якщо вони відіб’ються від стада.
Говорячи про фарби, що світяться, не можна не згадати про піонера люмінесцентного живопису, художника Є. Мандельберга. Він використовував для своїх робіт люмінофори, що не відрізняються великою, яскравістю при денному світлі, а іноді і зовсім безбарвні (таких люмінофорів багато), але що володіють яскравим світінням під дією ультрафіолетових променів. У темряві картини Мандельберга оживали. Крізь туман над ранковим озером починали пробиватися сонячні промені, запалювалися вогні в будинках на березі моря… Мандельберг створив новий вид театральних декорацій. Деякі з його ескізів були зовсім незвичайні. На них прямо на очах у глядача літній пейзаж перетворювався в зимовий (намальований поверх річного невидимими люмінесцентними фарбами), серед лісу раптом виникав казковий замок…
За роки, що минули з часу перших картин Мандельберга, створено багато нових люмінесцентних фарб. І я сподіваюся, що читачі зможуть самі помилуватися ними під час театральних або циркових вистав.
Ювеліри в біології
Знаменитий Лівша з повісті Лєскова примудрився не тільки підкувати металеву блоху, але і позначити кожен гвоздик в підкові, написавши на ньому своє ім’я. За допомогою люмінофорів біологи мітять об’єкти набагато більш дрібні. Як дізнатися, наприклад, де саме розташовані в живій клітині молекули нуклеїнових кислот — знаменитих ДНК і РНК? Виявити їх за допомогою звичайного мікроскопа навіть при найбільших збільшеннях не вдається. Якщо ж попередньо пофарбувати їх люмінофором, завдання спрощується (цей метод, в кілька десятків разів ефективніше всіх інших). Але пофарбувати різні частини клітини треба по-різному.
Пензликів для забарвлення молекул поки не існує. Тому біологи застосовують спеціальні люмінофори строго вибіркової дії. Наприклад, барвник акридиновий помаранчевий реагує при певних умовах тільки з молекулами ДНК і РНК (в першому випадку він дає переважно зелену люмінесценцію, в другому – червону), не зачіпаючи при цьому білкових молекул.
Люмінесцентна мікроскопія широко застосовується в біології і в медицині. Іноді за кольором люмінесценції вдається відрізнити живі клітини від мертвих. Вибірково діючі люмінофори дозволяють мітити і окремі види мікроорганізмів.
Зараз, наприклад, не потрібно напружувати зір, вишукуючи серед інших бактерій збудників дифтериту. Барвник корифосфин перетворює їх в зірочки, що яскраво світяться на темному тлі. А при дослідженні збудників туберкульозу і прокази так само діє аурамін. Часом, коли від швидкості діагнозу залежить життя людей, люмінофори виявляються незамінними помічниками лікаря.
Кішки та світлячки
Люмінофор допомагає побачити не тільки мікрооб’єкти, з його допомогою можна стати зрячим в темряві, в повній темряві, коли нічого не бачить навіть кішка. Ви, напевно, чули про електронно-оптичні перетворювачі та прибори нічного бачення.
Вони широко застосовуються і у військовій справі, і при наукових дослідженнях. Принцип їх дії заснований на тому, що крім звичайних променів видимого світла всі навколишні нас предмети випускають і відображають невидимі теплові або інфрачервоні промені.
Інфрачервоне зображення предмета можна сфокусувати на екран, покритий речовиною, у якої під дією інфрачервоних променів збільшується здатність випускати електрони. Ці електрони набувають велику швидкість в сильному електричному полі і потрапляють на другий екран, покритий спеціальним люмінофором, здатним світитися за рахунок енергії швидко рухомих електронів. Так інфрачервоне зображення перетворюється у видиме.
За допомогою люмінофорів ми “перевершили” не тільки кішок, але і світлячків. У герметичний пакет поміщається речовина, яка починає яскраво світитися при хімічній реакції з киснем повітря. Досить надірвати оболонку — і ліхтарик включений. Сильніше надірваний пакет – інтенсивніше світіння. Яскравості такого ліхтарика, дійсно, позаздрить будь-який світлячок, хоча принцип світіння у них один і той же — використання енергії хімічної реакції окислення.
А в чому ще застосування люмінесценції?
- Люмінофори, що випускають синє світло під дією ультрафіолетових променів сонячного спектра, застосовують для додання особливої білизни тканинам і паперу.
- У сцинтиляційних лічильниках, без яких були б неможливі багато досягнень ядерної фізики, люмінофори дають спалахи світла під дією швидких частинок.
- Зміна яскравості і форми спектра люмінесценції гуми може швидко сигналізувати про ступінь і характер її вулканізації.
- Люмінесценція дозволяє виявляти незначні кількості канцерогенних речовин, що викликають рак, сліди нафти при геологічних дослідженнях.
- Люмінесценція застосовується для вивчення структури полімерів, процесів взаємодії світла з речовиною, механізму фотохімічних реакцій.
- Різниця в кольорі люмінесценції здорових тканин і уражених раком допомагає хірургу під час операції.
- За кольором люмінесценції легко відрізнити серед зерен пшениці схожі на них зерна бур’яну, знайти непомітні на око пошкодження на поверхні зерен, визначити життєздатність насіння.
- З допомогою особливих люмінофорів в лічені хвилини визначається жирність молока.
Всіх застосувань не перерахувати. Строкатий народ люмінофорів міцно оселився на всіх поверхах прекрасної будівлі науки і техніки.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.