Лазер небольшой мощности разрезал сокристалл

Канадские химики научились разрезать сокристаллы диоксана и замещенного азобензола и вырезать на их поверхности изображения. Мощности зеленого лазера в 10 милливатт хватило, чтобы вырезать на сокристалле несколько узоров и углублений. При этом поверхность образца около места облучения не повредилась. Исследование опубликовано в Nature Chemistry.

Сокристаллы образуются, когда молекулы разных веществ кристаллизуются вместе. Это происходит за счет нековалентных взаимодействий между разными молекулами. Энергия таких взаимодействий колеблется в пределах от одной до 40 килокалорий на моль. И за счет таких небольших значений энергии, эти связи легко разрушаются, например, при облучении светом.

Один из видов нековалентных взаимодействий — галогенная связь. Она возникает, когда вблизи оказываются два атома: галоген с недостатком электронной плотности и атом с высокой по энергии неподеленной парой электронов, например, кислород. Избыточная электронная плотность кислорода частично переходит к галогену, и между ними образуется слабая связь.

Благодаря этому взаимодействию химики под руководством Криса Барретта (Chris J. Barrett) из Университета Макгилла смогли вырастить сокристалл иодзамещенного азобензола и диоксана. Согласно данным рентгенострукурного анализа, молекулы двух веществ держались вместе за счет галогенной связи между атомами кислорода в диоксане и атомами иода в азобензоле.

Химикам было известно, что производные азобензола легко поглощают свет. Поэтому они решили посветить на сокристалл зеленым лазером с длиной волны света 532 нм и мощностью 2000–2500 милливатт на квадратный миллиметр. К их удивлению, мощности излучения оказалось достаточно, чтобы разрезать образец сокристалла, хотя обычно это происходит при минимальной мощности в 1000 ватт на квадратный миллиметр. Поэтому химики решили изучить механизм необычного процесса.

Сначала они провели эксперимент, в котором одновременно облучали поверхность сокристалла лазером и регистрировали рамановский спектр образца. Оказалось, что при излучении с длиной волны 785 нанометров, поверхность сокристалла не повреждается. А если использовать зеленый лазер с длиной волны 532 нанометра, направленный в одну точку, на поверхности образуется углубление. При этом рамановский сигнал от колебаний связи азот-азот уменьшается. Так химики выяснили, что на первой стадии процесса азокраситель поглощает свет.

Также при облучении зеленым лазером на рамановских спектрах постепенно исчезали пики одного из компонентов сокристалла — диоксана. А эксперименты по порошковой дифракции показали, что около поврежденных участков поверхности выросли кристаллы чистого азобензола. Их можно заметить на микрофотографиях повреждений, выполненных на сканирующем электронном микроскопе. Таким образом, при облучении слабые галогенные связи в сокристалле разрушались, а один из его компонентов переходил в газовую фазу.

Когда химики выяснили, как лазер действует на поверхность сокристалла, они решили показать точность своего метода резьбы. Им удалось вырезать на поверхности сокристалла несколько сложных узоров: букву «М», знак мира, кубок Стэнли и изображение птицы с геоглифа Наски. Каждое изображение имело размер всего несколько сотен микрометров.

В результате химики разработали удобный способ резьбы. Они назвали его «холодной фоторезьбой», потому что ранее ученым не удавалось использовать лазеры такой небольшой мощности (0,5–20 милливатт) и получать четкие микроскопические изображения на сокристалле.

Когда два вещества кристаллизуются вместе, их свойства могут неожиданным образом измениться. Например, мы уже рассказывали о том, как два взрывчатых вещества оказались стабильнее в форме сокристалла.

Михаил Бойм