Фотохромы

фотохромыВ один из вечеров 1881 года ан­глийский химик Фипсон полу­чил от своего друга Томаса Гриф­фита письмо с очень странной но­востью. Гриффит писал, что по его наблюдениям — и к вящему его удивлению — входная дверь поч­ты, расположенной напротив его окон, в течение дня меняет свой цвет. Дверь темнеет, когда солн­це находится в зените, и светлеет в сумерках — по мере ослабления солнечного света.

Заинтересовавшись сообщени­ем, Фипсон провел немало ана­лизов литопона — краски, которой была окрашена дверь почты. Наблюдения его друга подтвердились, но ученый сумел выдвинуть лишь несколько гипотез о химическом механизме странного явления.

К окончательному выводу он так и не пришел. Однако обратимой         цветной реакцией не на шутку заинтере­совались многие исследователи, и в начале двадцатого века им удалось синтезировать ряд орга­нических веществ, названных «фотохромами», что значит примерно «светочувствительные краски». Если верить легенде, Александр Македонский одевал своих воинов в одежды, цвет которых менялся в зависимости от силы солнечно­го света. Говорят, таким образом полководец узнавал время дня. Весьма приблизительно, конечно…

Как мы видим, фотохромным веществам пришлось пережить довольно долгий период забве­ния, пока ими снова заинтересо­вались люди. И только совсем недавно они заняли прочное по­ложение в научных лабораториях всего мира. Больше того, фотохромы появились в широкой про­даже. Зимой этого года француз­ские лыжники могли купить очки, стекла которых темнели на солн­це и снова становились прозрач­ными в тени.

Фотохромные очки стали пер­вым общедоступным результа­том обширных исследований, про­веденных в последние годы американскими и французскими хи­миками.

Со времен Фипсона ученые многое узнали о фотохромах. Прежде всего, они установили, что процесс, в результате которого фотохромные вещества мгновен­но меняют цвет, протекает на мо­лекулярном уровне. Со второй половины XIX века было извест­но, что окраска органических сое­динений зависит от присутствия в молекуле вещества особых, так называемых хромофорных (то есть, «несущих цвет») группиро­вок атомов. И вот выяснилось, что под действием ультрафиолетовых лучей структура молекулы фотохрома меняется и в ней времен­но образуются хромофорные группировки. Вещество окраши­вается. Но стоит прекратиться действию ультрафиолетового из­лучения, и первоначальная моле­кулярная структура восстанавли­вается, вещество опять становится бесцветным. Следует отметить, что процесс обесцвечивания всегда происходит медленнее, чем окрас­ка, которая совершается чрезвы­чайно быстро.

Если на фотохромное вещество подействовала сильная вспышка света, то оно окрасится за какие-то микросекунды. Под действием солнечного света фотохромы тем­неют не более чем за одну ми­нуту. Потеря же окраски длится от нескольких десятков секунд до нескольких дней, в зависимости от характера вещества.

Изложенная выше упрощенная схема является лишь основой со­временных знаний о фотохромах. С тех пор, как пришли к выводу, что фотохромы могут получить широкое промышленное применение, перед исследователями была поставлена задача детально изу­чить все факторы, принимающие участие в процессе окрашивания. Один из таких факторов — темпе­ратура. Заметим, что фотохром­ное стекло быстрее светлеет при нагревании. При очень низких тем­пературах некоторые фотохромные вещества приобретают под действием света окраску иную, чем при нормальной температу­ре. Многие фотохромы — одно­временно и термохромы, то есть и без светового облучения они способны менять цвет под дейст­вием нагревания или охлажде­ния.

Проблемой фотохромов много занимались исследователи во Франции и США. Но результаты, полученные в этих странах, раз­личны. Американцы нашли, что микрокристаллы галоидного се­ребра (соли, применяемой в клас­сических фотоэмульсиях), рассе­янные в массе стекла, обладают фотохромными свойствами. Изме­нение этой сопи под действием света необратимо, если ее кри­сталлики рассеяны в фотоэмуль­сии. Но когда кристаллы изолиро­ваны друг от друга массой стек­па, то с прекращением облуче­ния соль возвращается в исход­ное состояние. Под влиянием ультрафиолетовых лучей галоид­ное серебро окрашивает стекло в коричневый цвет, который исче­зает, как только прекращается действие лучей.

Такие стекпа сохраняют фотохромные свойства практически не­ограниченное время. После 10 000 циклов окрашивания и обесцвечивания они не теряют своих свойств. Правда, процесс изготов­ления этих стекол весьма сложен; это сказывается на цене стекпа, поэтому оно не может получить пока широкого промышленного применения.

Стекла, созданные француза­ми, по общему мнению, гораздо привлекательнее на вид и весьма конкурентоспособны по цене. Но, увы, они очень быстро «устают», теряя свои фотохромные свойст­ва уже после нескольких циклов окрашивания. Основная задача, над которой работают сейчас французские химики,— увеличить долговечность этих стекол.

Фотохромные стекпа, которые можно сейчас увидеть во фран­цузских лабораториях, окраши­ваются в разнообразные и очень красивые цвета — исследователи пользуются здесь различными фотохромными веществами. Кста­ти, еспи получение самого фотохромного вещества — процесс до­вольно тонкий, то введение фото­хромов в стекло не представляет особых трудностей. Фотохромное вещество выступает как обыкно­венный краситель, и вводится или непосредственно в стекло, или в наносимую на него глазурь, или окрашивает пластмассовую плен­ку, зажатую между двумя куска­ми стекла.

Фотохромными веществами можно окрашивать стекло для са­мых разных цепей. Разные фото­хромы не только придают стеклу при облучении различную окра­ску, но и отличаются скоростью обесцвечивания.

Из всех возможных вариантов применения фотохромов наибо­лее важно, очевидно, остекление жилых и административных зда­ний. Фотохромные стекпа не требуют штор или жалюзи. Окна автоматически затемняются при ярком свете, и становятся про­зрачными в сумерках — это осо­бенно удобно дпя заводов и круп­ных учреждений, где площадь остекления очень велика. В даль­нейшем фотохромные стекла бу­дут все шире применяться в авто­машинах, в диафрагмах фотоап­паратов, и, как уже говорилось, в солнцезащитных очках.

В США к фотохромам прояви­ли интерес и военные. На бом­бардировщиках устанавливают колпаки с фотохромным остеклением,— утверждают, что эта мера может предохранить глаза членов экипажа самолета от ослепитель­ного света при взрыве атомной бомбы…

В Америке нашел поддержку еще один вид исследований, по общему мнению, весьма перспек­тивных — речь идет о создании оптической системы «памяти» для вычислительных машин. Исследо­вателям удалось «закрепить» фо­тохромные вещества в окрашенном состоянии. Этот же принцип позволяет создать фотопленки практически без зернистости, что дает возможность делать особо миниатюрные снимки.

Наконец, фотохромные вещест­ва оказались полезными еще в одной области, довольно далекой от техники. Французский биохи­мик Пьер Дузу предложил ис­пользовать фотохромы в качестве моделей при биологических исследованиях. Его замысел был осуществлен в биофизической ла­боратории Парижского музея естественной истории.

Схематически идея заключает­ся в следующем. Методы иссле­дования молекулярной биологии позволяют узнать состояние моле­кулы до и после процесса, про­исходящего в ней. Но промежу­точные фазы обычно очень не­стойки, да и само течение про­цесса не поддавалось наблюде­нию. Однако мы знаем, что фотохромные вещества в окрашенном состоянии находятся как раз в «промежуточной фазе». Так не по­пытаться ли отыскать такие био­логические процессы, принцип ко­торых сходен с действием фотохромных веществ!

Один эксперимент, поставлен­ный Пьером Дузу, в частности, поясняет эту гипотезу. Существу­ют органические молекулы, в зависимости от условий, то гидро­фобные, то гидрофильные. Эти молекулы в той форме, в которой их можно наблюдать обычными методами, всегда гидрофобны. Но как они будут вести себя в про­межуточном состоянии? Опыт, про­веденный с фотохромным веществом спиропираном, дал прием­лемое обьяснение. Как и органи­ческие молекулы, о которых идет речь, спиропиран обычно гидрофобен. Растворенный в бензоле и подвергнутый ультрафиолетовому облучению, он окрашивается в синий цвет. Если в этот момент в раствор добавить воду и взбол­тать смесь, фотохромный спиро­пиран переходит в воду, окраши­вая ее в розовый цвет. В промежуточном, окрашенном состоянии, спиропиран стал гидрофильным. Можно ожидать, что подобно спиропирану, органические молекулы проходят промежуточное состоя­ние, которое мы не можем зафик­сировать имеющимися средствами исследования. Это как раз и дает им возможность попеременно вы­ступать в столь разных качествах: гидрофробном и гидрофильном.

Интересен и второй аспект сбли­жения фотохромизма и биоло­гических механизмов. Одна из са­мых больших загадок биологии заключается в том, что на много­численные и необычайно слож­ные физико-химические реакции организм затрачивает чрезвычай­но малое количество энергии. И опять-таки известно, что фотохромы меняют свою структуру также при очень небольшой за­трате энергии. Значит, если рас­сматривать фотохромные превра­щения с точки зрения потребляе­мой энергии, то они становятся хорошим аналогом многочислен­ных биологических процессов. Примером могут служить процес­сы, связанные со зрением,— окра­шивание и обесцвечивание пурпу­ра сетчатки глаза.

Наконец, необычайно увлека­тельна гипотеза Пьера Дузу о физиологическом механизме па­мяти, основанном на процессах, аналогичных фотохромизму. Таким образом, смыкаются работы аме­риканских ученых и работников французской биофизической лабо­ратории. Одни на основе фотохромных веществ стремятся со­здать совершенную машинную па­мять, другие ищут разгадку тайн человеческого мышления.

Жаклин Жиро

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>