ТРЕСНУВШИЕ МИКРОКРИСТАЛЛЫ, КОТОРЫЕ ЗАЖИВАЮТ И СНОВА УДЕРЖИВАЮТ СВЕТ

Фотонные устройства становятся всё меньше: волноводы, по которым идёт свет, резонаторы, которые его удерживают, лазеры. В таком масштабе достаточно микроскопической трещины, чтобы их испортить. Как трещины образуются и заживают в органических оптических кристаллах, пишут авторы, остаётся «в значительной степени неизученным».

Кристаллы, которые сами залечивают свои трещины, — это, по их словам, «редкое и примечательное явление». Среди более ранних примеров, приведённых в статье, — каменная соль, хлорид калия и оксид алюминия, а также несколько молекулярных кристаллов. Но большинство из них имели длину от миллиметров до сантиметров, и с ними работали пинцетом и иглами. Некоторые заживали медленно: кристаллы длиной около 3 миллиметров восстановились лишь на 6,7% после 24 часов сжатия. Другие, игольчатые, срастались за миллисекунды.

Кончик микроскопа вместо молотка

Мелхи Чозенья (Melchi Chosenyah), Раджадураи Чандрасекар (Rajadurai Chandrasekar) и их коллеги из Хайдарабадского университета и Центрального университета Карнатаки в Индии спустились до масштаба, на котором кристаллы работают как оптические компоненты. Они использовали органическое соединение HDMAC, которое светится оранжево-красным под ультрафиолетом, с максимумом излучения на 660 нанометрах. Если нанести его в виде раствора на предметное стекло, оно образует тонкие квадратные и прямоугольные кристаллы размером в несколько десятков микрометров.

Инструментом служил кончик кантилевера атомно-силового микроскопа: им и раскалывали кристаллы контролируемым образом, и сдвигали осколки обратно. Терминологию авторы позаимствовали у переломов костей: поперечные трещины идут поперёк кристалла, продольные — вдоль него, косые — по диагонали; при авульсии отрывается небольшой фрагмент.

Осколки, которые срастаются

• В кристалле размером примерно 13,7 на 12,5 микрометра диагональная трещина исчезла, когда боковую сторону кристалла надавили внутрь. Под электронным микроскопом восстановление выглядело почти бесшовным, лишь при большом увеличении была видна едва заметная линия. Незажившим осталось только место, где был оторван фрагмент.
• Кристалл длиной около 20 микрометров раскололи на два отдельных куска. Выровненные и прижатые друг к другу, они сразу же срослись. Когда затем кристалл толкали кончиком, он двигался как единое целое.
• Трещины вдоль двух разных кристаллографических плоскостей зажили обе. Почти все микрокристаллы заживали, если поверхности излома оставались чистыми; россыпь крошечных обломков на изломе мешала заживлению.
• Большой чешуйчатый кристалл с той же молекулярной упаковкой не раскололся ровно, а рассыпался на куски и не зажил.

Сколько света возвращается

Длинные кристаллы работают как волноводы: свет, испущенный на одном конце, доходит до другого. В кристалле длиной 271 микрометр команда направляла лазер с длиной волны 405 нанометров на один конец и собирала проведённое свечение на другом — до раскалывания и после заживления. Сравнение дало «эффективность заживления» около 80%. Для шести таких кристаллов она составила от 32% до 99%. Потери были вызваны рассеянием света на восстановленной трещине, особенно там, где недоставало фрагментов.

Восстановленный резонатор

Тонкие кристаллы также работают как резонаторы: их верхняя и нижняя грани действуют как зеркала, поэтому между ними накапливаются только определённые цвета света. Чем тоньше кристалл, тем больше расстояние между этими резонансами. Кристалл размером 31 на 28 микрометров и толщиной 1,8 микрометра показывал резонансы, отстоящие друг от друга на 17,8 нанометра.

Команда расколола его вдоль посередине, не разделяя на части. На трещине резонансы были сильно подавлены. После заживления они вернулись, а спектр совпал со спектром целого кристалла. Флуоресцентные снимки, сделанные слой за слоем через каждые 257 нанометров, показали слабый след трещины лишь в верхних слоях; глубже примерно 770 нанометров внутренняя часть выглядела зажившей.

Мягче на шве

Алмазный наконечник, вдавленный в кристалл с одной и той же силой, погружался на 95 нанометров в целые участки и на 115 нанометров в заживший. Жёсткость зажившей зоны, её модуль Юнга, упала с 2,15 до 1,49 гигапаскаля — примерно до двух третей исходной, а твёрдость уменьшилась примерно вдвое. После снятия нагрузки зона всё же частично восстанавливала форму.

Что удерживает осколки вместе? Расчёты межмолекулярных сил указывают на непрерывные цепочки притяжения вдоль двух плоскостей заживления: водородные связи между молекулами и диполь-дипольное притяжение между соседними слоями, в которых авторы видят одну из движущих сил.

Авторы настаивают, что никакое одно число не отражает эффективность заживления: размер кристалла, тип трещины и то, насколько хорошо выровнены осколки, — всё это меняет результат. Их цель — оптические компоненты, способные пережить повреждения: светящиеся кристаллы, которые после поломки можно снова вернуть в работу.