4. Материалы для создания носителей информации. Химия и нанотехнологии
В условиях все возрастающих объемов информационных потоков, CD-R диски прочно укрепились как стандарт передачи информации, так как позволяют записывать и надежно хранить данные во всех популярных форматах (таких как Audio CD, Video CD, Photo CD, CD-ROM) на простом и дешевом носителе — лазерном компакт-диске. Продолжающийся рост парка установленных дисководов CD-ROM служит гарантией того, что этот метод распространения крупных массивов информации еще долгое время будет оставаться популярным, особенно после очередного резкого снижения стоимости чистых CD-R дисков (менее $1 за шт. в розницу).
На сегодняшний день изготовлением CD-R дисков во всем мире занимаются несколько десятков предприятий, но первопроходцами и законодателями мод в этой области были и остаются японские корпорации Taiyo Yuden и Mitsui Toatsu, которые освоили это наукоемкое производство в начале 90-х годов. Впрочем, первый CD-R диск был выпущен не ими, а корпорацией Fuji Film, которая использовала технологию схожую с той, что уже применялась ею при производстве фотопленок: серебряный отражающий и металлический активный слой (в последствии для построения активного слоя стали применять органические покрытия).
По своему строению CD-R диск напоминает слоеный пирог, «начинка» которого состоит из активного, отражающего и защитного слоев, которые последовательно наносятся на основу из поликарбоната — пластиковый кружок с отверстием для фиксации на шпинделе читающего привода. При этом основа CD-R диска ничем не отличается от той, что применяется в технологии изготовления компакт-дисков литьем: характеристики пластмассы должны быть таковы, чтобы луч лазера, проходящий сквозь нее, должным образом фокусировался и не вызывал разрушения диска.
Активный (или регистрирующий) слой – слой, на котором, собственно, и происходит запись информации, т.е. именно он подвергается воздействию лазерным лучом, который «прожигает» (burn) питы (pits), кодирующие информацию (логические нули и единицы). Иными словами, во время записи активный слой под воздействием лазерного луча меняет свою структуру, а последующая необратимость изменения активного слоя – суть есть надежность хранения информации. Одним из типов активных слоев, широко использующимся на сегодняшний день, является цианин (cyanine). Цианин является изначальным типом на который ссылается стандарт Orange Book и широко используется уже более 10 лет.
Фталоцианин (phtalocyanine) используется почти так же долго, как и цианин, и является его производной. Изначально он был применен для изготовления активного слоя при выпуске CD-R дисков Mitsui (не путать с Mitsumi), но в последствии корпорация Kodak приобрела лицензию на его производство и стала использовать эту технологию для изготовления собственных дисков. Диски на основе фталоцианина менее чувствительны к воздействию света после записи, что способствует увеличению срока хранения информации.
Над активным слоем CD-R диска находится светоотражающий слой, который во многом определяет совместимость диска с читающими устройствами. Светоотражающий слой — тончайшая пластинка из золота или серебра. Вернее, изначально в виде материала для отражающего слоя использовалось только промышленное золото, однако в последствии оно было вытеснено серебром, которое не только значительно дешевле, но и обладает большим коэффициентом светоотражения. Таким образом, после замены золота на серебро CD-R диски значительно подешевели, а их качество не только не пострадало, но даже улучшилось. Правда в некоторых случаях, когда к дискам предъявляются специальные требования (например, время хранения информации медицинских архивов), все же применяются «золотые» диски.
Защитный слой – слой, наносимый поверх светоотражающего, – служит для механической защиты CD-R диска и нанесения на него этикетки (label). Тут тоже возможны варианты: в простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Это мало надежно не только с точки зрения механики (лак довольно легко обдирается), но и с точки зрения химии: надпись, сделанная на диске активным маркером, может привести к потере информации из-за проникновения чернил сквозь тонкий слой лака – начнется пагубная для диска химическая реакция. Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность.
Традиционная наука занималась нанообъектами задолго до того как они получили свое определение. Например, фотография и катализ являются примерами явлений, основой которых являются нанопроцессы. Нанотехнологии широко применялись при получении резины на основе каучука с добавлением неорганической глины. В настоящее время под нанотехнологиями понимают процессы получения материалов с новыми свойствами путем использования наночастиц и их способности к участию в химических связях особого типа.
Для обозначения наноструктур используются такие термины как наночастица или кластер. Наночастица – это частица размеры которой рвны 10 -9 м. Кластер представляет собой структуру из переменного числа атомов или молекул. Выявление особенностей влияния размеров частиц и количества атомов в них на физико-химические свойства и реакционную способность представляет одну из фундаментальных проблем современной химии, в рамках которой в конце XX века возникает нанохимия.
Нанообъекты окружают нас в реальной жизни, поскольку в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне природа формирует основные характеристики веществ и явлений.
Нанотехнология, используя природные законы, дает возможность получать уже известные вещества, но и создавать новые, неизвестные ранее. По существу нанотехнология является наукой, которая занимается конструированием новых материалов.
Наночастицы занимают промежуточное положение между молекулами и объектами микронных размеров. Как и молекулы наночастицы проявляют квантовые эффекты и одновременно обладают свойствами не характерными даже для микрообъектов. Наночастицы подчиняются законам кватовой химии и физики.
Выявление особенностей влияния размеров частиц на физико-химические свойства и реакционную способность представляет собой значимую фундаментальную проблему современной химии. Развитие новых методов исследования позволило получить информацию о частицах различных химических элементов Периодической системы. Выявленные в настоящее время закономерности позволяют говорить о наличии нанопараметра (т.е. числа атомов в кластере), который можно рассматривать как границу проявления наномасштабности. Необходимо отметить, что поведение наночастиц во многом определяется средой, в которой они диспергированы.
Среди наночастиц, состоящих из определенного числа атомов, существуют частицы наиболее стабильные. Для них характерны так называемые магические числа, совокупность которых выражается формулой 2n2 . Эти цифры определяют число атомов в кластерах щелочных металлов. Существует и другой ряд магических чисел для полупроводников. Их наличие связано с главным квантовым числом n.
Интересным нанообъектом является квантовая точка – это структура с трехмерным квантовым ограничением, которую можно получить из тонкой пленки в процессе вырезания электронным пучком. Такие точки называют искусственными атомами, поскольку они обладают дискретным энергетическим спектром подобно атомам.
Управляя размерами и формами наноструктур, можно получить материалы с разными свойствами, резко отличающимися от обычных веществ. Учитывая огромные масштабы информации в настоящее время ведется поиск материалов для записи и хранения информации. Химические методы такие как, реакции осаждения, восстановления, термического разложения, лежат в основе химического синтеза новых материалов.
Литиевые аккумуляторы используются в сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах и ноутбуках. Однако емкость таких аккумуляторов ограничивает время беспрерывного действия этих приборов. Причина низкой емкости таких аккумуляторов кроется в относительно невысокой способности их графитового анода, абсорбировать ионы лития.
Исследовательская группа из Университета Ханьян (Корея) разработала новый материал для анодов, который может позволить получить новое поколение аккумуляторов. Новый материал представляет собой трехмерный высокопористый кремний.
Литий-ионные аккумуляторы создают электрический ток за счет движения ионов лития. Обычно аккумулятор состоит из катода, изготовленного из смешанных оксидов металлов (например, оксид лития-кобальта) и графитового анода. При зарядке батареи ионы лития мигрируют к аноду, где они запасаются между слоями графита. При разряде батареи эти ионы мигрируют к катоду
Весьма перспективным является создание анодного материала, способного запасать большее количество ионов лития, чем графит. Альтернативой углероду может быть кремний, однако при запасании ионов лития кремний растягивается и сжимается при разрядке. После нескольких циклов зарядка/разрядка тонкие слои кремния измельчаются до порошкообразного состояния и оказываются непригодными для дальнейшего использования.
Ученые из Швейцарии разработали процесс, с помощью которого можно использовать наночастицы в качестве своеобразных «чернил» для получения детальных изображений. Каталитические и оптические свойства наночастиц при этом сохраняются.
Изображение, Солнца, составленное примерно из 20000 индивидуальных золотых наночастиц диаметром около 60 нм получено с помощью светлопольной оптической микроскопии. (Рисунок: © Nature)
Стандартная процедура печати классической гравюры включает в себя заполнение травленых пластин чернилами, затем удаление избытка чернил, в результате чего они остаются только в пазах формы. Далее форму прижимают к поверхности, в результате чего чернила переносятся на нее.
В новой методике исследователи распыляют тонкий слой наночастиц на пластинки, позволяя им заполнить канавки. После высыхания «чернил» для фиксации наночастиц на целевой поверхности используется тонкий полимерный слой. В результате этой операции получаются картины, в тысячи раз более детализированные, чем те, что можно получить классическими способами.