Явление триболюминесценции. Что заставляет кристаллы светиться

В статье исследуется явление триболюминесценции,эффект Коппа — Этчеллса. Рассмотрены особенности состава и строения соединений, имеющих триболюминесцентные свойства. Описывается опыт наблюдения свечения сахара и кварца. На основе имеющихся данных, полученных в ходе экспериментов, сделан вывод о природе явления.

Ключевые слова: триболюминесценция, механолюминесценция, люминесценция, свечение, разрушение твёрдых тел.

Поводом для написания статьи послужил тот факт, что предмет исследования мало известен в обществе, несмотря на свою простоту и занимательность. Целью автора стало объединить в один материал основные имеющиеся сведенья и расширить их собственными наблюдениями.

Триболюминесценция — это короткое световое явление, возникающее при механическом воздействии. Например, когда вещество царапают, ломают или измельчают. Механизм действия до сих пор [1] полностью не изучен.

В большинстве случаев свечение длится только в момент самого механического повреждения вещества, но иногда возможно наблюдать послесвечение. Такое свойство имеют ацетанилид и сульфаниловая кислота.

Данное явление известно человечеству на притяжение долгого времени. Первое зарегистрированное свидетельство принадлежит британскому философу Френсису Бэкону, когда в 1620 году он отметил: «Достоверно также и то, что всякий сахар, приправленный ли (как его называют) или простой, если только он тверд, сверкает, если его ломают в темноте или скоблят ножом». [2, с. 94].

Отдельно можно выделить эффект Коппа-Этчеллса. Он представляет собой разновидность триболюминесценции (ТЛ), возникающей вследствие трения лопастей вертолёта о песчинки во время взлёта и посадки в пустыне. Первым, кто дал ему название, был американский журналист Майкл Йон [3].

Чтобы пронаблюдать ТЛ в домашних условиях достаточно растолочь кусочки сахара или поцарапать кристаллы кварца в тёмном помещении. Для достижения наилучшего результата совершенно необходимо добиться безупречной темноты и дать глазам привыкнуть к ней в течении 15–20 минут.

Другой простой способ наблюдения — это разматывание липкой ленты (скотча). Голубоватую полосу свечения получится заметить на границе между рулоном и отмотанным участком ленты. Отличительной чертой данного случая является то, что здесь не повреждается само вещество. При отделении слоёв происходит разрушение адгезионного контакта, сопровождающееся вспышкой голубоватого цвета. В вакууме скотч способен выделять высокоэнергетические (до 100 кэВ) электроны и рентгеновские лучи [4, с. 136].

Автором статьи был проведёт эксперимент, целью которого было установить связь между применяемой силой по отношению к веществу и интенсивностью световых вспышек на примере сахара и кварца. Для варианта с сахаром понадобилось собрать следующую конструкцию, изображённую на рисунке 1.

Рис. 1. 1 — Сахар; 2 — Защитная поверхность; 3 — Тело, наносящее удар (два варианта с отличающимися массами); 4 — механизм, контролирующий траекторию падения тела 3; 5 — камера, измеряющая количество излучаемого света

В результате эксперимента удалось установить прямую связь силы, с которой наносилось повреждение, с яркостью и количеством вспышек: чем сильнее повреждение, тем большее количество ярких сине-голубых вспышек наблюдалось.

Опыт с кварцем показал идентичный результат зависимости повреждений с наблюдаемым свечением.

Рис. 2. Триболюминесценция при соударении кристаллов кварца

Форма и количество световых вспышек, возникающих при ТЛ, зависят от трещин, возникающих при повреждении вещества. Было установлено [5], что под воздействием удара стального бойка о кварцевую платину на ней образуется около 10 трещин размером в несколько миллиметров и возникает 10–20 перекрывающихся вспышек. Кроме того, в диапазоне температур 170–670 K форма вспышек одинакова, а их яркость и продолжительность связаны со скоростью роста трещин.

Таким образом, медленное нарастание интенсивности ТЛ в течение первых 10–50 мкс после удара совпадает с временем накопления мелких трещин. В следующие 1–3 мкс имеющиеся трещины могли увеличиваться на 1–6 мм, что соответствует времени наиболее яркого свечения.

Учёные-материаловеды выдвигают несколько версий природы данного явления. Основная гласит, что при дроблении или расщеплении ассиметричных веществ заряды разделяются и во время рекомбинации электрический разряд ионизирует окружающий воздух, что вызывает вспышку света. Другая версия предполагает её появление из-за движения дислокаций при деформации.

Таблица 1

Процентное соотношение способных к ТЛ веществ разных классов химических соединений к количеству исследованных образцов

Исходя из данных таблицы справедливо сделать вывод, что ТЛ не является частым явлением.

Отметим другие наблюдения, полученные экспериментальным путем:

Можно выделить связь ТЛ с определенными циклическими атомными группировками. Свечение наблюдалось у ароматических и гидроароматических соединений в приблизительно 36 % всех исследованных случаев, а у алифатических — только в 13 %. Необходимо подчеркнуть, что интенсивность излучаемого света у циклических соединений значительно превосходит соединения с открытой цепью углеродных атомов.

Кроме того, особенно благоприятно воздействуют на триболюминесценцию гидроксильная группа, карбонильная группа, а также вторично и третично связанный азот. С этими данными хорошо согласуется тот факт, что среди естественных алкалоидов большинство (47 из 74 исследованных образцов, что составляет 63,5 %) имеют триболюминесцентные свойства.

По поводу цвета вспышек в настоящий момент можно утверждать только то, что он отличается у разных веществ. Отобразим имеющиеся данные в таблице 2.

Таблица 2

Цвета вспышек различных соединений

Данное явление не лишено возможности быть полезным на практике. Можно добавлять вещество, излучающее яркое свечение даже при несильной механической деформации, в основной материал какого-либо изделия. Это может служить хорошим инструментом для обнаружения и дальнейшего предотвращения поломок изделия. Существует вероятность появления и развития триболюминесцентного освещения.

Литература:

1. Триболюминесценция. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Триболюминесценция (дата обращения: 08.10.2021).
2. Бэкон, Ф. Бэкон Ф. — Сочинения. В 2-х томах. Том II / Ф. Бэкон. — 1-е изд. — Москва: Мысль, 1972. — 581 c. — Текст: непосредственный.
3. Йон, М (Yon M.). Kopp-Etchells Effect / М. Йон. — Текст: электронный // Michael Yon — Online Magazine: [сайт]. — URL: https://www.michaelyon-online.com/the-kopp-etchells-effect.htm? (дата обращения: 12.10.2021).
4. Ролдугин, В. И. Борис Владимирович Дерягин (1902–1994) / В. И. Ролдугин. — Текст: непосредственный // Российский химический журнал (Журнал российского химического общества им. Д. И. Менделеева). — 2006. — № 5. — С. 134–137.
5. Механолюминесценция кварца и органического стекла при ударном воздействии / Р. И. Мамалимов, И. П. Щербаков, Р. К. Мамедов, В. И. Веттегрень. — Текст: непосредственный // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. — 2013. — № 7. — С. 69–74.
6. Чугаев, Л. А. Избранные труды. Том 2 / Л. А. Чугаев. — 1-е изд. — Москва: Академия наук СССР, 1955. — 558 c. — Текст: непосредственный.