Исследователи из РХТУ им. Д.И. Менделеева создали изображение таблицы Менделеева в кварцевом стекле размером 3,6х2,4 мм. Для этого использовали метод фемтосекундной лазерной записи, перспективный для использования в технологиях сверхплотного хранения данных в стекле. Работа ученых опубликована в специальном номере журнала Frontiers in Chemistry.
Стекла используются человеком уже более пяти тысяч лет, и за это время успели прочно войти в нашу жизнь. Но несмотря на такую распространенность, этот класс материалов до сих пор пополняется новыми представителями, у которых открываются новые свойства.
Почти 95% всех стекол — силикатные. Они изготавливаются из сырья, главный компонент которого — оксид кремния. Но кроме него 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 и так далее.
Новое исследование российских ученых отражает это богатство элементов в виде миниатюрной таблицы Менделеева, выгравированной в толще стекла. Сделать это удалось благодаря использованию фемтосекундных лазеров, которые испускают очень короткие импульсы света. Такие импульсы хоть и длятся очень мало, но имеют высокую интенсивность излучения, что позволяет точечно менять структуру материала. В операциях на глазах врачи используют фемтосекундные лазеры, чтобы аккуратно разрезать и сшивать живые ткани. Применение этой технологии в стеклах позволяет создавать внутри них миниатюрные оптические элементы: волноводы, каналы, переключатели.
Авторы новой работы воспользовались фемтосекундным лазером для создания внутри кварцевого стекла нанорешеток, обладающих свойством двулучепреломления. Это значит, что луч, проходящий через область с такой периодической структурой, разделяется на две компоненты, которые идут через материал разными путями и с разной скоростью, а затем соединяются на выходе из него. Благодаря этому внутри стекла и появляется интерференционная окраска.
Цветом полученного узора можно управлять, изменяя интенсивность лазерного излучения и последовательно нанося слои нанорешеток друг на друга. Авторы изменяли эти параметры от одной ячейки таблицы к другой, что позволило сделать их цветными. Но в обычный оптический микроскоп разглядеть их нельзя, и все ячейки окрашены только в разные оттенки коричневого цвета. Увидеть всю гамму можно только если в микроскоп вставить скрещенные поляризаторы. Ученые создали шесть основных типов элементов (щелочные металлы, инертные газы и др.) в шести разных оттенках коричневого и голубого.
Общий размер таблицы получился 3,6 на 2,4 мм — ее можно поместить на кончике ногтя. Каждая ячейка с химическим элементом оказалась размером всего 200*200 микрометров. Одно из важных преимуществ такой «татуировки» на стекле — ее термическая устойчивость. Эксперименты показали, что нагрев до 900 °С и резкое охлаждение стекла не влияет на изображение записанной таблицы. Это значит, что такой метод позволяет надежно хранить информацию долгие годы, защищая ее от негативных воздействий.
Исследователи создали математическую модель эпилепсии