Цветная» гамма технических решений

3.2.1. Попытки применить фотохромные материалы (ФХМ)
в военных целях продолжаются во всем мире. Разрабатываются
ФХМ для маскировки военнослужащих под цвет окружающего
ландшафта, а также защиты их одежды от возгорания, а кожи от
ожогов в условиях ядерного взрыва. Так, фотохромный нейлон
изменяет окраску (в зависимости от интенсивности освеще­
ния, температуры и влажности) от оранжевой через серую к голубой
примерно за 11 минут и полуобесцвечивается в темноте за
14 минут. Как видите, изменение окраски идет довольно долго и не
всегда получается нужный цвет, поэтому в военной камуфляжной
технике использование ФХМ ограничено пока маскировкой лишь тех
объектов, которые неподвижны или перемещаются по однообраз­
ному ландшафту.

3.2.2. Менее требовательна (но более экстравагантна!) мода:
предполагается, что могут стать модными фотохромные парики,
пудра, помада, маникюрный лак и лак для волос, а заодно и не­
обычные по свойствам ткани (платья, костюмы, галстуки, ковры,
шторы, драпировка и т. д.), строительные материалы, способные
обеспечить тепловой баланс здания (краска, штукатурка, кафель
и др.), и предметы домашнего обихода (например, «загорающая»
кукла по патенту США 2921 407).

3.2.3. Давно известны бытовые солнцезащитные очки с фото-
хромными стеклами. Однако уникальная способность ФХМ авто­
матически изменять свое светопропускание
(со скоростью до 10~⁶с) в зависимости от интенсивности активи­
рующего излучения можно использовать более широко:

В космосе не откинешь шлем со светофильтром, чтобы проверить, хорош ли свариваемый шов. Как быть?

- в устройствах для защиты зрения и электронно-оптических
приборов от интенсивных излучений (солнце, ядерный взрыв,
лазер), например солнцезащитное ограждение из алюмобороси-
ликатного стекла (а. с. 1 063793);

- в динамических светофильтрах телевизионных устройств при
съемке сцен, в которых имеются хорошо освещенные и находя­
щиеся в тени предметы (пат. США 3270638);

- для регулирования светового потока на фотоэлементе в системе
включения вечернего освещения (англ. пат. 1 254964);

- в зеркалах задней обзорности автомобилей для облегчения
работы водителя в условиях резкого перепада освещенности
(пат. США 3280701);

- в устройстве временной задержки (пат. США 3 654 474), состоя­
щем из лампы и фоторезистора, разделенных фотохромной лин­
зой с заданным временем обесцвечивания;

- в немеханическом затворе фотокамеры (пат. США 3584934),
который открыт только в момент переокрашивания двух стекол
с разными свойствами;

- в оптических световодах для устройств интегральной оптики
вычислительных машин следующего поколения и т. д.

3.2.4. Регистрация и фиксация оптической информации с помощью ФХМ в чем-то похожи на обычный фотографический процесс, но лишены его недостатков. Разрешаю­щая способность пленочных ФХМ уступает только голографическому

способу записи информации: под действием света сразу появляется видимое изображение, возможна многократная перезапись (изобра­жение стирается светом другого спектрального состава). Стой­кость записи — от долей секунды до нескольких лет. Если исполь­зовать необратимо реагирующие химические соединения (пат. США 3810762), то можно зафиксировать изображение навечно. Смесь фотохромных соединений применяют для получения много­цветных изображений под действием активирующего излучения различной длины волны, соответствующей полосе поглощения каждо­го отдельного вещества (пат. США 3 704 127, 3 825 427).

Разработан способ фотохромной записи оптической информа­ции с повышенной чувствительностью на основе пленки трехокиси вольфрама (а. с. 970989).

Химия и техника фотохимических превращений веществ посте­пенно перерастает в новую науку — фотонику, охватывающую группу взаимосвязанных фото-химэффектов (фотохромизм, люминес­ценция и др.). Так появился новый способ записи изображения (а. с. 442 449) на органических люминофорах, способных к фото­химическим реакциям: на пленку антрацена проектируется изобра­жение в видимом свете, при этом в пленке происходит фотохромная химическая реакция. При подсветке слабым УФ-светом получается светящееся изображение («Природа», 1982, № 12, с. 29—33).

3.2.5. ФХМ в виде бумажных и пленочных актинометров исполь­
зуются для измерения интенсивности и распреде­
ления УФ-излучения (пат. США 1845835, 3121012), при на­
стройке оптических приборов, фокусировке излучения и т. п. ФХМ
вообще чутко реагируют на спектральный состав света. Так, раст­
вор КзСг(С₂О4)з, имеющий зеленый цвет в дневном свете, стано­
вится красным при освещении лампами накаливания.

По патенту ГДР 133500 предложено применять фотохромное азосоединение с интенсивной флуоресценцией в качестве рабочих сред лазеров.

3.2.6. Как и на любой химический процесс, на фотохимические
реакции влияют температура, влажность, pH среды. Такие влияния
могут быть необратимыми, что, например, случилось с картиной
Леонардо да Винчи «Тайная вечеря». Художник при ее написании
экспериментировал с новыми составами красок и ему на протяжении
всей жизни пришлось исправлять медленно проявляющиеся дефекты.

В технике следует использовать легко управляемые обратимые воздействия — электрический ток и тепловое поле.

Для сокращения времени релаксации фотохромных стекол, ис­пользуемых в больших световых проемах, на их поверхность на­носят прозрачное электропроводящее покрытие из окислов метал­лов (пат. США 3 252 374). Регулировкой электрического тока в таком слое можно обеспечить различную степень нагревания стекла и,

следовательно, принудительное изменение скорости его обесцвечи­вания.

Для защиты ФХМ от ИК-излучения, повышающего температуру и снижающего светочувствительность, на стекло наносят пленки металлов или их окислов (золото, двуокись титана), отражающих ИК-свет (пат. США 3591 248).

Предложен метод записи изображения на органических ФХМ при повышенной температуре (пат. США 3421 894): фотохромные соединения вводят в воск, затвердевающий при 20° С и переходящий в жидкое состояние при.температурах более 40° С. В твердом состоянии процессы термического обесцвечивания резко замед­ляются.

Фотохромизм неорганических солей металлов используется в гидрофотографическом процессе. Эти материалы окра­шиваются на свету в присутствии влаги и обесцвечиваются в темноте, что можно использовать при физиологических исследованиях, в кри­миналистике, сельском хозяйстве, при измерении водонепрони­цаемости материалов, определении следов воды в различных средах и т. д.

Свойство ФХМ изменять свои характеристики при взаимодей­ствии с другими веществами, используется для физико-хими­ческого анализа веществ. Например, скорость термического обесцвечивания водорастворимых нитробензилпроизводных (пат. США 3649549) зависит от pH среды (индикация pH).

3.2.7. ФХМ могут быть в жидком, твердом, газообразном (в ви­
де аэрозолей) или гелеобразном состоянии. Часто ФХМ исполь­
зуются в микрокапсулированном виде: микрокапсулы наклеиваются
на любую основу, для подготовки к действию их можно раздавить
или, заранее введя в них газообразующие при нагревании вещества,
нагреть для разрушения капсул.

Полимерные пленки толщиной 5—100 мкм наносят на жесткую (кварц, стекло) или гибкую (лавсановая, триацетатная пленки и т. п.), прозрачную или непрозрачную основу.

Жидкие ФХМ могут быть использованы в исследовании гидро­динамики потоков, процессов массопередачи, газожидкостных сме­сей и т. п.

3.2.8. Первые патенты на ФХМ относятся к началу 20-х годов
(Германия), но только в последнее десятилетие в связи с разви­
тием химии фотохромных соединений область их практического
применения резко расширилась.

Синтезирована большая группа ФХМ, способных пре­образовывать солнечную энергию в тепловую (пат. США 4004572). Так, это преобразование можно получить с помощью фотохромных соединений. Раствор ФХМ циркулирует в замкнутой системе через коллектор, танк хранения и катализатор.

Процесс преобразования солнечной энергии в тепловую с помощью фотохромных соединений

В коллекторе фотохромное соединение в форме А запасает солнечную энергию и превращается в форму В. Продавливание раствора В из танка через катализатор инициирует реакцию В - - ->• А и осво­бождает теплоту Д Н. Скорость протекания реакции зависит от интен­сивности солнечной радиации. Вместо катализатора можно подвести извне небольшое количество тепла для инициирования обратной реакции, после этого реакция идет сама (пат. США 4004573).

ТЕПЛОВЫЕ ХАМЕЛЕОНЫ

3.3.1. Гёте так выразил свое отношение к цвету: «Цвета воз­
действуют на душу, вызывают ощущения и эмоции, пробуждают
в нас скрытые идеи и служат причиной радостных и печальных
мыслей». Расширить возможности «пробуждения» новых технических
идей помогут термохромные вещества, меняющие свой цвет
при изменении температуры.

Термоиндикация с помощью таких веществ может быть обрати­мой и необратимой, поскольку существуют термохромы одно-и многоразового действия.

3.3.2. Примером использования одноразовых термо­
хром о в может служить разработанный в Японии способ цветной
сверхплотной записи оптической информации («Природа», 1984,
№ 3, с. 102). Тонкая композитная пластинка, состоящая из несколь­
ких слоев термохромных веществ (дающих при нагревании черный,
зеленый, красный, голубой цвета) подвергается воздействию луча

НО

лазера. Луч можно фокусировать в любом из слоев в пятнышко микронного размера — в этом месте термохром меняет цвет и тут же связывается другим веществом. Для окрашивания точки достаточно микросекундных длительностей лазерного импульса. Управляет лу­чом стандартное сканирующее устройство с приспособлением для изменения точки фокусирования луча. В результате на пластинке появляется многоцветная запись. Запись можно «прочитать» и от­дельно по каждому цвету, использовав монохроматический источ­ник света.

Довольно широко применяются индикаторы температурного ре­жима хранения продуктов и изделий в холодильных камерах: при случайном размораживании нанесенное на упаковку термохромное вещество обесцвечивается, а при охлаждении окраситься не может (пат. США 3038812, англ. пат. 1 099880). В Швеции в упаковку продуктов, особенно рыбных, помещают полоску желтой бумаги, которая при изменении температуры становится фиолетовой (необратимо).

3.3.3. Обратимое изменение окраски при нагревании позволяет использовать термохромы для измерения температуры. Так, термохромные слои йодистых соединений серебра и ртути изме­няют окраску от желтой через оранжевую, красную, коричневую до пурпурно-черной при повышении температуры от 27 до 218° С (пат. США 3 352 724). В устройстве для измерения температуры (дисплее) в интервале 20...120° С используются термохромные полиацетилены (пат. США 4339951).

За рубежом (Швейцария, Италия) используют термохромные пленки для покрытия предупредительных знаков (типа «кошачий глаз») на дорогах. Стоит температуре воздуха понизиться до 1,5° С, как пленка становится прозрачной и водители видят предупрежде­ние о возможности гололеда.

Широкое распространение в мире получили термометры, рабо­тающие по принципу «измерил температуру — термометр выбро­сил». Например, термометр для больниц представляет собой полоску алюминиевой фольги с нанесенными на нее точками термо-хромов. Точки меняют цвет в зависимости от температуры с точ­ностью до десятых долей градуса. Время измерения—15 секунд. Из гигиенических соображений полоску тут же выбрасывают. Фирма-изготовитель (США) даже не патентует свое изобретение, чтобы не сообщать состав вещества. Известно только, что оно без­вредно и давно применяется в пищевой промышленности («Изобре­татель и рационализатор», 1972, № 2, с. 34).

В ФРГ выпускают бумажные термометры — достаточно приле­пить такую самоклеющуюся полоску с термохромом к нагретой поверхности, как через несколько секунд можно судить о ее темпера­туре с точностью до 5 °С («Техника молодежи», 1983, №5, с. 48).

3.3.4. Знаменитый химик и врач шестнадцатого века Парацельс показывал гостям написанную им самим «чудесную» картину. На ней был изображен зимний пейзаж — деревья, пригорки, покрытые снегом. При легком подогреве пейзаж тут же менялся на летний -пригорки покрывались травой, а деревья — зеленой листвой...

Не верящие в чудеса современные школьники, узнав из публи­кации «Юного техника» о существовании термохромных красок, предложили множество технических применений этого эффекта: предупредительные надписи при перегреве узлов самолета, контроль состояния двигателя мопеда, демонстрационный опыт по опреде­лению удельной теплоемкости веществ, контроль температуры радио­электронных приборов и т. д. («Юный техник», 1984, № 12, с. 78— 80).

Некоторые термочувствительные составы несложно получить в домашней или школьной лаборатории. Например, иодид ртути -вещество, меняющее окраску с ярко-желтой на красную («Химия и жизнь», 1979, № 4, с. 71), термохромный состав для покрытия отражателей лампочек новогодних гирлянд («Химия и жизнь», 1982, № 2, с. 77), а также различные по температуре перехода краски («Юный техник», 1984, № 12, с. 78—80).

РАДИОХРОМНАЯ ДИЗОМЕТРИЯ

3.4.1. К радиохромам (веществам, изменяющим цвет под
действием радиоактивного излучения) и катодохромам (ве­
ществам, изменяющим цвет под действием электронного луча)
относится большая группа неорганических и органических веществ
(кристаллы галогенидов щелочных металлов, титанат стронция,
фторид кальция, полимеры и т. д.).

3.4.2. Дозиметры на основе радиохромных полимерных пленок,
разработанные в США, имеют толщину 0,005—1 мм и могут быть
использованы в интервале доз 10...10⁵ Грей. Они отличаются меха­
нической прочностью и устойчивостью, удобством обращения и ка­
либровки, выдерживают мощность излучения до 10¹² Гр/с, могут
применяться для регистрации фотонов с энергией до 10 МэВ, электро­
нов и протонов. Области применения: дозиметрия при стерилизации
медицинского оборудования, при радиационной обработке полиме­
ров,.изоляции кабелей, обработке городских и промышленных отхо­
дов и т. д.

Растворы радиохромных красителей в диметилсульфоксиде, кото­рый по своим радиационным характеристикам близок к крови и био­логическим тканям, предложено применять в исследовательских целях для дозиметрии сельскохозяйственных, биологических и ме­дицинских объектов.

КОНКУРЕНТ ЖИДКИМ КРИСТАЛЛАМ

3.5.1. Стремительные темпы вторжения жидкокристаллических
индикаторов в технику и быт в последнее десятилетие (мы так при­
выкли к ним — в часах, микрокалькуляторах, табло...) начинают
замедляться. Основная причина — тусклое изображение из-за поля­
ризации света при закручивании нематической фазы. Специалисты
предсказывают резкое сужение области применения жидких кристал­
лов в системах индикации уже в ближайшее время — они будут
вытесняться электрохромными материалами. И хотя электрохромы
пока еще находятся в начальной стадии разработки и внедрения
(примерно в такой же, в какой находились жидкие кристаллы чуть
больше 10 лет назад — давно ли?), их преимущества несомненно
выше, чем у электрофорезных, электролюминесцентных, светодиод­
ных и, в особенности, у жидкокристаллических индикаторов. Чем
замечательны электрохромы? — Они внешне привлекательны, обла­
дают независимостью контраста от угла наблюдения, превосходной
читаемостью, потребляют мало мощности, требуют низких упра­
вляющих напряжений и способны запоминать изображение.

3.5.2. Первые электрохромы были жидкостными, на основе кис­
лотных электролитов и пленки трехокиси вольфрама. При напряже­
нии около ± 2 В ионы электролита осаждались на пленке, при­
давая ей темно-синюю окраску (при перемене знака — обесцвечи­
валась). Чтобы получить контрастный фон, в электролит вводился
краситель. Из-за малого срока службы (коррозия электрохромной
пленки) они не нашли широкого применения.

3.5.3. Современные электрохромы на твердых электролитах
с электродами внедрения (различные соли лития) толщиной в не-

 

 

Электрохромное устройство на основе трехокиси вольфрама:

/ — стеклянная подложка; 2 — прозрачный проводник; 3 —

трехокись вольфрама; 4 — электролит и краситель; 5—про-

тивоэлектрод; 6 — изолятор и герметнк

сколько микрометров обладают долговечностью (10⁷ переключений и более), низким порогом окрашивания (1—2 В), кратковремен­ностью акта записи и стирания (доли секунды), памятью после отключения напряжения (до 20 минут). В США, Японии и других странах в последние годы патентуется множество электрохромных материалов и устройств на их основе. Один из подобных составов, запатентованный японской фирмой «Хитачи» (европейская заявка 0039220), содержит, например, аморфный фторалюминат лития. Применение электрохромов самое разнообразное: от дисплеев матричного типа для ЭВМ и любых других устройств до окулярных сеток микроскопов, которые можно «стереть», если они мешают наблюдениям. Или, например, динамические (по плотности и по спектру) светофильтры — их можно использовать для ускоренного развития парниковых культур, при лечении зрительных аллергий (когда нужно «вычеркнуть» какую-либо составляющую спектра), в осветительной технике и т. д.

РАЗБОР ТИПИЧНОЙ ЗАДАЧИ

3.6.1. События в рассказе Я- Тайца «Первый помощник» проис­ходят в гражданскую войну. Маленький украинский городок, занятый белогвардейцами. Белые заставляют старого художника рисовать их трехцветное знамя с надписью: «Все честные люди идите сражаться под этот флаг!» Ученик художника никак не может понять, почему его учитель соглашается. Учитель объясняет мальчику: «Ты — мой второй помощник, а первый помощник — Солнце. Молчи и смотри, что будет». Флаг повесили, и мальчик целый день крутился около него. К обеду он заметил, что белая и синяя полосы заметно посвет­лели, а к вечеру осталась только красная полоса... К счастью, для художника все закончилось благополучно, утром местечко заняли красные.

Вы, конечно, уже догадались, что художник использовал фото-хромные краски...

3.6.2. А вот чисто техническая задача. О хорошем качестве при­клеивания мечтают специалисты по тензометрии (науки о измерении деформаций в деталях машин и конструкциях). Применяемые ими тензодатчики изменяют свое сопротивление электрическому току при деформации (растяжении или сжатии), но чтобы теизодатчик (напри­мер, решетка из проволоки) деформировался только совместно с испы­тываемой деталью, его вместе с основой (изолирующей прокладкой) нужно прочно и надежно к ней приклеить. Визуальный осмотр для контроля качества наклеивания почти ничего не дает, поэтому было предложено такое решение (а. с. 277 360): через наклеенные тензо­датчики пропускают ток, в 5—15 раз превышающий величину рабо­чего тока, в местах некачественной проклейки основа обугливается (так как на этих участках имеются воздушные прослойки, резко сни­жающие теплоотвод от нагретой проволоки). Но такой способ пригоден

лишь для тензодатчиков на бумажной основе. А как быть при испытании машин, работающих в особо «вредных» условиях, где используются основы из стеклоткани, органосиликатов, слюды?

В условиях задачи уже есть хорошо взаимодействующие элементы: вещество bi (проволока) и тепловое поле П_т. Не достает второго вещества Вг, которое бы легко откли­калось на действие П_т. Значит, введем его; нанесем термохромную краску на тен-зодатчик — ее цвет изменится в местах локального повышения температуры (а. с. 649947).

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

12. Существует серьезная проблема борьбы с распространением заболевания
раком кожи — самым опасным из всех последствий повышенного ультрафиолетового
облучения. Так, в некоторых районах США и Европы за последние 30 лет частота
заболевания раком кожи невероятно подскочила. Специалисты объясняют это
изменением образа жизни людей, которые стали чаще бывать на солнце и больше
времени проводить на южных пляжах. Рекомендации врачей типа: «В первый день
загорайте не более 5 минут, во второй — 10 минут...» не эффективны.

Как предельно простым и дешевым способом довести до человека информацию суммарной дозе УФ-облучения, полученной за день?

13. Из журнала «Юный техник» (1985, № 12, с. 51): «Все знают, что каждое
лекарство имеет срок годности, однако при его использовании зачастую забывают
посмотреть на дату, стоящую на коробке или пузырьке. Между тем, это очень важно,
так как «несвежее» лекарство уже не обладает необходимыми целебными свой­
ствами, а иногда даже может быть вредным для организма. Одной из причин такого
невнимательного отношения к лекарствам является то, что обычно дату срока
годности плохо видно».

Как наиболее наглядно предупредить больного о том, что лекарство уже не годно к употреблению? Или как сделать так, чтобы больной не смог воспользо­ваться испортившимся лекарством?

Пояснение. Задача пока не решена. Главная трудность в том, что сроки годности у лекарств самые различные: от нескольких дней до нескольких лет. Воз­можны решения, основанные на сочетании эффектов.

4. ХИМИЯ? ЭТО САМАЯ СЛОЖНАЯ ФИЗИКА! 4.1. В ОБХОД ПАТЕНТА СИМПСОНА

4.1.1. Проект синьора Си^псона был грандиозен. Все шло к его осуществлению. Новая технологическая революция! Неограниченный резерв бесплатной рабочей силы — и никаких профсоюзов! Если бы не арест агентами Интерпола его помощника О'Толли.

Эта история с угрями... Рыбы каждый год мигрируют огромными стаями. Почему бы не использовать их «с пользой»? — решил О'Толли. Он... сговорился с угрями, подкупив их жирными мухами. Теперь каждая рыба, прежде чем пуститься в долгий путь к Сарга-ссову морк), подплывала к берегу. О'Толли привязывал ей к спине

' Зак. 137

шарик с двумя граммами героина, а в море их уже ждала яхта Рика Папалео...

«Старая история, не правда ли? — восклицает герой рассказа П. Леви «Патент Симпсона».— Изобретаешь огонь и даришь его людям, а потом коршун всю жизнь клюет вам печень...».

Но Симпсон полон надежд. Двенадцать лет упорного труда, главная мечта жизни. Черт возьми этого О'Толли. Жизнь так коротка, в одиночку ничего не добьешься. Он приглашает нового помощника и показывает ему все захватывающие дух перспективы новой технологии. Оказывается, он понял язык насекомых, научился разговаривать и заключать контракты с ними!

«Это резисторное устройство,— объяснил Симпсон.— Нить тол­щиной в две тысячных сантиметра, соединительная муфта — в пять тысячных. Стоимость устройства — четыре тысячи лир, но вскоре она снизится до двух тысяч. Нить сплетена из коры пиний отбор­ными муравьями. Два муравья хватают челюстями два электрода, третий зачищает их и скрепляет каплей смолы. Затем все три муравья погружают деталь на транспортер. Втроем они собирают резисторное устройство за четырнадцать секунд, включая сюда неизбежные заминки в работе. Их рабочий день длится ровно двадцать часов. Они получают вознаграждение в натуре. Всего пятнадцать граммов еды на отряд из двухсот муравьев.

Но это лишь начало. Сейчас я обучаю новые отряды муравьев другим «непосильным работам». К примеру, созданию сети дифрак­ции в спектрометре, а это тысяча восьмимиллиметровых полос. Другому отряду я поручил ремонтировать миниатюрные штампо­ванные электросхемы: раньше их в случае поломки выбрасывали на свалку. Третий отряд муравьев учится ретушировать негативы, и, наконец, четвертый — оказывать помощь врачу при операциях мозга»*.

Доводы Симпсона в пользу новой технологии на «микроуровне» неоспоримы: наши пальцы слишком велики и неуклюжи, а микро­манипулятор стоит слишком дорого. Поэтому он с увлечением нахо­дит все новые и новые применения своим «друзьям»: муравьи вносят по крупице удобрения каждому семени, уничтожают в зародыше сорняки, производят микроклеточные впрыскивания; стрекозы соби­рают бруснику; с мухами и комарами он заключает «договор о не­нападении», а в комиссию ООН по продовольствию представляет аналогичный договор с саранчой...

4.1.2. Да, микроманипуляторы действительно дороги. И лучше их не применять там, где можно обойтись другими средствами. Но как собирать, например, те же микросхемы? Плотность «упаков­ки» элементов в современных интегральных схемах достигла колос-

Вокруг света, 1968, № 3.

сальной величины. Тут уже не помогут ни живые муравьи «по-италь­янски», ни, тем более, механические.

Первым на помощь микроэлектронике пришел «лидер современ­ного естествознания» — физика. Вот как проходила гонка «лидера» за стремительным развитием микроэлектроники.

Детали (транзисторы, резисторы, конденсаторы и т. д.) объемом 1 см³ собирали вручную. Объемом 1 мм³ -- тоже, но с микроскопом. При дальнейшем уменьшении размеров отпала необходимость в со­единительных проводах, детали стали располагать на одной кварце­вой пластинке и соединять тонкими проводящими полосками. Затем появились интегральные схемы — в которых все детали (0,1 — 0,01 мм) и проводники формируются в одном кристалле с помощью фотолитографии. Делается это так: на кремниевую пластину наносят маскирующую пленку (например, окись кремния) и фоточувствитель­ный слой (фоторезист); затем на фоторезист проецируется в УФ-свете фотошаблон (стеклянная металлизированная пластинка с нужным рисунком); засвеченный слой проявляют, при этом он растворяется и обнажает маскирующий слой; кремниевую пластину помещают в травящий раствор, где удаляется слой окиси кремния; наконец, удаляют остатки слоя фоторезиста. Но процесс изготовления микро­схемы на этом не кончается: пластину помещают в высокотемпе­ратурную печь, в атмосферу фосфора или бора. Атомы этих элемен­тов проникают в кремний, образуя в нем область дырочной или электронной проводимости. Но и это не все: сформирован только один слой, а для некоторых транзисторов их требуется десяток. Появляется сложная проблема точного совмещения нескольких фотошаблонов («Химия и жизнь», 1984, № 2, с. 57—61).

Размеры элементов микросхем продолжали уменьшаться. Как только они дошли до 1—2 мкм (1000—2000 нм), наступил физический предел метода фотолитографии: длина световой волны стала соизмерима с размерами структур, а при этих условиях свет огибает препятствия.

Вместо света физика предложила новый инструмент — пучок электронов, как в электронном микроскопе. Длина волны ускоренно­го электрона на несколько порядков меньше длины волны света. Технология осталась та же (только вместо фоторезиста появился электронорезист), но стоимост^ и сложность оборудования возросли во много раз. К тому же вместо печей стали использовать линейные ускорители для ионной имплантации. Электронография, а затем и рентгенолитография, справлялись со своими обязанностями, пока размеры элементов не достигли 200—100 нм. На этом возможности физики были исчерпаны. Процесс изготовления структурных эле­ментов размером 100—10 нм накладывал принципиальные физи­ческие и технологические запреты («Электронная промышленность», 1984, вып. 5 (133), с. 7—9).

Что делать дальше?

4.1.3. Вместо переходов на микроуровень «по Симпсону» и «по физике» химия предложила совершенно новый метод — молеку­лярную самосборку.

В самом деле, что такое структура размером 10 нм? Это же агрегат из нескольких десятков молекул. Десятков! А химия давно научилась оперировать единицами молекул и точно подгонять их друг к другу для образования комплексов (структур).

Метод основан на последовательном синтезе по цепочке: атомы -молекулы — агрегаты молекул — микродетали. На каждом этапе идет самосборка: атомы сами соединяются и образуют молекулу, молекулы сами объединяются в агрегат и т. д. Самосборка опре­деляется только свойствами атомов, молекул и их агрегатов и мало зависит от внешних параметров (температуры, давления, концентра­ции). Это главная особенность самосборки — процесс зависит не от воздействий извне (например, пучков электронов, ионов), а только от свойств и размеров молекул, использованных для сборки деталей. Таким образом, технологические трудности (точность поддержания параметров и технологических режимов) переносятся на хими­ческий синтез деталей микросхем. А химический синтез всегда абсолютно точен: молекула определенного вещества, в каких бы условиях оно ни было получено, всегда состоит из одних и тех же атомов, соединенных между собой всегда одним и тем же способом. То же — для молекул и агрегатов молекул. Отсюда вытекают две важные особенности процесса самосборки:!) молекулы соби­раются в агрегат (а агрегаты — в микродеталь) путем соединения в определенных точках контактной поверхности — точках взаимо­действия по типу «ключ — замок»; 2) процесс автоматически пре­кращается, когда в агрегат собирается строго определенное число молекул (а в деталь—агрегатов).

Что заставляет молекулы собираться в строго определенные структуры? Объяснить это можно простым методом самосборки, раз­работанным Лэнгмюром и Блоджеттом еще в 1935 году. Если в воде растворить поверхностно-активное вещество (ПАВ), то его молекулы начнут взаимодействовать и с молекулами воды и между собой. Ха­рактер этого взаимодействия зависит от особенностей молекулы ПАВ: «голова» молекулы хорошо взаимодействует с водой («голова» гидрофильна — водолюбива), а все остальное «туловище» не соеди­няется с водой (гидрофобно). Поэтому молекулы ПАВ образуют в воде одну из двух структур: шарик или двухслойную пленку. В обоих случаях «туловища» молекул спрятаны внутрь структуры, а «головы» выставлены наружу — к воде. Метод позволяет наносить на твер­дые подложки последовательно любое число (от 1 до 1000) ориенти­рованных мономолекулярных слоев ПАВ общей толщиной от 2 до 2000 нм. При этом задается нужный химический состав, а следова-

тельно, свойство и толщина любого из этих слоев. Толщина каждого слоя определяется только длиной выбранных для него молекул. Метод Лэнгмюра-Блоджетта позволяет получать сложные структу­ры, приближающиеся по уровню организации к биологическим («Электронная промышленность», 1984, вып. 5(133), с. 7—9).

Современные модификации метода обладают следующими преи­муществами: молекулы в пленках ориентированы как в монокристал­ле, слои могут чередоваться по заданной технологической программе, химический состав слоев резко меняется без переходной области (слои не перемешиваются), поверхности раздела между слоями атомарно-гладкие, пленки однородны по толщине.

Метод самосборки пока еще делает первые шаги в микроэлектро­нике. Многие тонкости технологии еще не отработаны, но перспек­тивы у метода безусловно оптимистические. С его помощью будет идеально решена также проблема ремонта электронной (или био­электронной) аппаратуры. Представьте себе ситуацию длительного космического полета, когда сильно ограничены возможности взять с собой дублирующую аппаратуру или гарантированное количество запасных частей. В этом случае любая вышедшая из строя деталь может быть тут же синтезирована по одной из программ — из одного и того же набора компонентов («Химия и жизнь», 1984, № 2, с. 57—61).

4.1.4. Молекулы очень разборчивы в связях, то есть обладают высокой избирательностью при взаимодействиях с «себе подобными». Они мгновенно реагируют на самые тонкие различия в свойствах возможных партнеров и тут же делят их на «своих» и «чужих». Вся история химии как раз и связана с выявлением и объяснением этих особенностей химических элементов и соедине­ний.

Самое простое деление веществ основано на их «любви» или «нелюбви» к воде: есть вещества гидрофильные, есть — гидрофобные. Даже такое грубое разделение свойств веществ можно и нужно использовать в изобретательской практике. Вот несколько примеров.

С появлением синтетических материалов (одежды, мебели и по­крытий в жилых помещениях) все мы вдруг столкнулись с неприятной проблемой статического электричества. Хотя и оказалось, что с этой проблемой были хорошо знакомы еще древние греки и римляне: шелковые и атласные тоги и туники электризовались не меньше наших лавсановых сорочек. Главный способ борьбы со статическим электричеством состоит в том, чтобы максимально снизить удельное поверхностное сопротивление полимерного материала. Тогда воз­никший от трения заряд быстро растечется по поверхности и стечет без вреда, а не будет накапливаться в одном месте до потенциала в несколько сот вольт. Значит, поверхностный слой должен быть

проводником (пусть не очень хорошим). Первые технические решения предусматривали вплетение металлической нити в ткань или напыле­ние металла на поверхность материала. Но такие решения ухудшали свойства полимерных тканей — снижалась их гибкость, эластич­ность, прочность. Замена чистой синтетики на композиционные материалы (смесь полимеров с наполнителем из проводящего ток вещества) не приемлема по той же причине. Надо создать прово­дящий слой на непроводящем материале, ничего при этом не вводя в него. Как быть? Задача была решена, когда вспомнили, что многие красители для тканей обладают гидрофильными свойствами. А зна­чит, если окрашивание изделий вести такими красителями, то поверх­ность синтетики всегда будет чуть-чуть гидрофильна настолько, что приклеившиеся к гидрофильным молекулам краски молекулы воды обеспечат резкое снижение поверхностного сопротивления («Химия и жизнь», 1978, № 7, с. 35—39).

При создании новых топливных элементов (электрохимических источников тока) потребовалось использование специальных по­ристых электродов, имеющих огромную внутреннюю поверхность. Однако, чтобы заставить эффективно работать всю внутреннюю поверхность, понадобилось решить, казалось бы, нерешимую задачу: одновременно насытить поры электрода и газом и жидкостью (элек­тролитом). В обычных условиях эти компоненты вытесняют друг друга. Как совместить несовместимое? Использовали гидрофиль-ность-гидрофобность: одну часть поверхности сделали из смачива­емого водой вещества, а другую — из несмачивающегося. Для этого при изготовлении электродов смешивают гидрофильный металл с гидрофобным фторопластом.

Этот же прием был применен при решении проблемы гемосовме-стимости полимерных протезов (то есть совместимости синтетических участков сосудов с белками крови). Для того чтобы белки крови «приняли за своего» полимер, внутренние стенки искусственных сосудов покрывают специальными физиологически активными веществами (ФАВ). Молекулы ФАВ препятствуют контакту белка с полимером. Но покрыть абсолютно всю поверхность никак не уда­валось, оставались непокрытые участки или покрытие нарушалось при сшивании сосудов. Задача была решена путем связывания ФАВ со стенкой сосуда посредством длинной «ножки» из гидрофильного полимера. Такая гидрофильная «щетка» закрывает всю поверх­ность и не допускает белок к стенке сосуда, даже если на данном участке не будет ФАВ.

Совмещение гидрофильно-гидрофобных свойств в одной системе можно использовать для разделения жидкостей, например, воды и органической жидкости. Так, в сепараторе (а. с. ЧССР 184 886) часть слоя гидрофильного волокна пропитана гидрофобным соста­вом, что обеспечивает выделение капель воды на выходе из сепара-

тора, если большая часть слоя гидрофобна (маленький участок слоя на выходе остается гидрофильным), или выделение органи­ческой жидкости из воды, если большая часть слоя гидрофильна. По а. с. 1 019680 гидрофильное волокно использовано в устройстве для очистки нефтепродуктов от воды.

Часто свойства гидрофобности и гидрофильности используют отдельно.