«Чудеса химического зазеркалья» (По страницам работы химического кружка)

«Чудеса химического зазеркалья»

(По страницам работы химического кружка)

Зябкина О.А., учитель химии

МБОУ Митрофановской СОШ

Человек изобрел зеркало в незапамятные времена. Пока не был создан способ серебрения полированного стекла, зеркала изготавливали из золота, чаще – из бронзы или латуни, тщательно обрабатывая одну из поверхностей. Такие зеркала были, конечно, не столь совершенными, как стеклянные, но в течение тысячелетий женщинам во всех концах планеты приходилось довольствоваться только ими.
Потом зеркала пришли в оптику. Когда изобрели телескопы, появилось даже понятие «зеркальный металл», применяемое для сплавов меди с оловом (сплавляли в пропорции 3:1 или 4:1). Зеркальное отражение связано со свойствами металлов.

Изготовление зеркальных покрытий из сложных композиционных материалов началось только в последние десятилетия, и, наверное, самыми наукоемкими, потребовавшими многих усилий стали многослойные зеркала некоторых лазеров. Однако возможности совершенствования материалов для достижения простого и распространенного оптического эффекта, как оказалось, далеко не исчерпаны.

В книге Льюиса Кэрролла «Алиса в зазеркалье» есть такие слова: «А зеркало, и точно, стало таять, словно серебристый туман поутру». С этого таяния и начались удивительные приключения Алисы в другом, зеркальном мире. Ученых же, занимавшихся исследованием и разработкой новых материалов, ждали не менее сильные переживания и захватывающие открытия, чем те, что достались Алисе при встречах с шахматной Белой Королевой, Шалтай-Болтаем и другими жителями Зазеркалья.

Начало было положено исследованием оптических свойств тонких пленок редкоземельных металлов иттрия и лантана. Эти металлы, как и более распространенные щелочно-земельные (магний, кальций и другие), способны поглощать водород и образовывать гидриды, которые при нагревании могут разлагаться, вновь выделяя водород. Гидриды в отличие от металлов – соединения ионные, поэтому их очень тонкие пленки должны быть прозрачными. Идея авторов работы, опубликованной в английском журнале «Nature» (Дж. Н.Хьюбертс и др., 1996, т. 380, с. 231), и состояла в том, чтобы тонкую зеркальную пленку иттрия превращать по желанию в прозрачную пленку гидрида иттрия и наоборот, добиваясь при этом нового оптического эффекта.

Реальное положение оказалось сложнее простой схемы: иттрий образует не одну, а три гидридные фазы – твердый раствор водорода в металле (соединение внедрения в кристаллическую решетку), дигидрид YH2 и тригидрид YH3. Обратимого превращения удалось добиться только между фазами ди- и тригидридов: увеличивали давление водорода – получали YH3, уменьшали – YH2. Дигидрид обладает металлическими свойствами, поэтому его пленка дает зеркальное отражение, тригидрид – скорее ионное соединение и должен быть прозрачен. К сожалению, электронные свойства YH3 таковы, что его полной прозрачности добиться невозможно: он поглощает синие лучи (фотоны с относительно высокой энергией) и имеет желтый оттенок.

Был испытан магний, для которого характерно образование только одного соединения с водородом – дигидрида MgH2, но и этот металл для создания чудо-зеркала оказался малопригодным. Здесь причины иные: скорость образования MgH2 невелика, и переключения в прозрачное состояние приходится ждать часами.

Найти выход из такого положения удалось в Исследовательской лаборатории фирмы «Филипс» (Голландия, г. Эйндховен). Согласно статье в том же журнале «Nature» (П. Балл, 1998, т. 391, с. 232) сплав магния с редкоземельным металлом гадолинием Mg70Gd30 легко, всего за 1 с, переключается с зеркального состояния при малых давлениях водорода на прозрачное при больших. Правда, выяснилось, что в изученной системе не два оптически различных состояния, а три и при средних давлениях водорода пленка сплава и не зеркальная, и не прозрачная, а просто темная. Еще одна трудность состоит в том, что прозрачность достигается только при давлении водорода выше атмосферного.

Как же сегодня может выглядеть «переключаемое» зеркало? Представим себе окно с двумя прозрачными стеклами, как в обычных жилых домах нашей климатической зоны. На одном из стекол с внутренней стороны нанесена тонкая пленка сплава, поверх нее – еще более тонкая, всего в 20 нм, прозрачная пленка палладия (легко поглощает водород и может переносить его в сплав). К герметично закрытому пространству между стеклами ведут трубки для подачи и откачивания водорода. К системе подсоединен источник водорода, например тот же сплав, но в виде порошка: при одной температуре он поглощает водород, при другой – выделяет. Такие системы интенсивно разрабатывают во многих странах мира для автомобилей нового поколения, с водородно-воздушным двигателем.

При дальнейшей разработке в окнах-хамелеонах, наверное, будут использовать более простые, электрохимические способы насыщения сплава водородом. Пространство между стеклами можно заполнить щелочным раствором, который при пропускании тока станет диссоциировать, выделяя водород или, наоборот, соединяться с водородом:

H2O + 1e = H + OH^–,
H + ОH^– – 1е = H2O.

Вместо электрохимического «аквариума» проще было бы использовать прозрачный твердый электролит, принципы действия которого ученым понятны, но его еще предстоит разработать.

Где можно использовать окна, меняющие свои свойства? Они, конечно же, привлекут архитекторов, поскольку дают возможность построить здания с необычным эффектом. Способность к переключению можно использовать для создания дисплеев, осветительных систем, дорожных указателей и многого другого.

Необычные окна могут регулировать освещенность квартиры, школьного класса или других помещений: мало солнечного света – они прозрачны, излишне много – его отражают, создают прохладу.

Приключения Алисы по другую сторону зеркала, как выяснилось в конце сказки, были всего лишь ее сном. И мы, вдохновленные новыми открытиями ученых, все же пока не будем торопиться выбрасывать оконные занавески, шторы и жалюзи. Они нам еще послужат.

Источник информации:

Журнал «Химия» - № 36 1999