Палочка свечения является самодостаточным, краткосрочным источником света. Он состоит из полупрозрачной пластиковой трубки, содержащей изолированные вещества, которые при соединении излучают свет за счет хемилюминесценции . Свет нельзя выключить и можно использовать только один раз. Светящиеся палочки часто используются для отдыха, но также могут использоваться для освещения во время военных операций , полицейских, пожарных или служб неотложной медицинской помощи .
История
Бис (2,4,5-трихлорфенил-6-карбопентоксифенил) оксалат , торговая марка «Cyalume», был изобретен в 1971 году Майклом М. Раухутом [1] и Ласло Дж. Боллики из American Cyanamid на основе работы Эдвина А. Чандросса. из Bell Labs . [2] [3]
Другая ранняя работа по хемилюминесценции была проведена в то же время исследователями под руководством Герберта Рихтера в Центре военно-морского оружия Чайна-Лейк . [4] [5]
Различные изобретатели получили несколько патентов США на устройства типа «светящиеся палочки». Бернард Даброу и Юджин Дэниел Гут запатентовали упакованный хемилюминесцентный материал в июне 1965 года. [6] В октябре 1973 года Кларенс В. Гиллиам, Дэвид Иба-старший и Томас Н. Холл были зарегистрированы как изобретатели химического осветительного устройства. [7] В июне 1974 г. был выдан патент на хемилюминесцентное устройство, изобретателями которого были Герберт П. Рихтер и Рут Э. Тедрик. [8]
В январе 1976 года был выдан патент на хемилюминесцентное сигнальное устройство, изобретателями которого были Винсент Дж. Эспозито, Стивен М. Литтл и Джон Х. Лайонс. [9] В этом патенте рекомендована отдельная стеклянная ампула, суспендированная во втором веществе, которое при разбивании и смешивании дает хемилюминесцентный свет. В конструкцию также входила подставка для сигнального устройства, чтобы его можно было выбросить из движущегося транспортного средства и оставить стоять в вертикальном положении на дороге. Идея заключалась в том, что это заменит традиционные аварийные придорожные сигнальные ракеты и будет лучше, поскольку они не представляют опасности возгорания, их будет проще и безопаснее развернуть, и они не станут неэффективными в случае попадания в них проезжающих транспортных средств. Эта конструкция с единственной стеклянной ампулой внутри пластиковой трубки, заполненной вторым веществом, которое при сгибании разбивает стекло, а затем встряхивается для смешивания веществ, больше всего напоминает типичную светящуюся палочку, продаваемую сегодня. [ необходима цитата ]
В декабре 1977 года был выдан патент на химическое световое устройство, изобретателем которого был Ричард Тейлор Ван Зандт. [10] Это изменение конструкции включает стальной шар, который разбивает стеклянную ампулу, когда светящаяся палочка подвергается удару заданного уровня; Примером может служить темная стрела, которая освещает место приземления при резком замедлении. [ необходима цитата ]
Использует
Светящиеся палочки водонепроницаемы, не используют батарейки, выделяют незначительное тепло, недороги и достаточно одноразовые. Они могут выдерживать высокое давление, например, под водой. Они используются в качестве источников света и световых маркеров военными , туристами и дайверами . [11]
Развлекательная программа
Glowsticking - это использование светящихся палочек в танце. [12] Они часто используются для развлечения на вечеринках (в частности, рейвах ), концертах и танцевальных клубах . Они используются оркестр проводников для вечерних представлений; Светящиеся палочки также используются на фестивалях и праздниках по всему миру. Светящиеся палочки также выполняют множество функций в качестве игрушек, хорошо заметных ночных предупреждений для автомобилистов и световых меток, которые позволяют родителям следить за своими детьми. Еще одно применение - световые эффекты, переносимые воздушным шаром . Светящиеся палочки также используются для создания специальных эффектов в фотографии и на пленке при слабом освещении. [13]
В Книге рекордов Гиннеса говорится, что самая большая в мире светящаяся палочка треснула на высоте 150 метров (492 фута 2 дюйма). Он был создан отделом химии Университета Висконсина-Уайтуотера в ознаменование полутора столетия или 150-летия школы в Уайтуотере, штат Висконсин, и взломан 9 сентября 2018 г. [14]
Операция
Светящиеся палочки излучают свет при смешивании двух химикатов. Реакция между двумя химическими веществами катализируется основанием, обычно салицилатом натрия . [15] Палочки представляют собой крошечный хрупкий контейнер внутри гибкого внешнего контейнера. Каждый контейнер содержит различное решение. Когда внешний контейнер сгибается, внутренний контейнер ломается, позволяя растворам объединяться, вызывая необходимую химическую реакцию. После разрушения пробирку встряхивают для тщательного перемешивания компонентов.
Светящийся стик содержит два химиката, основной катализатор и подходящий краситель ( сенсибилизатор или фторофор ). Это вызывает экзэргоническую реакцию . Химические вещества внутри пластиковой трубки представляют собой смесь красителя, основного катализатора и дифенилоксалата . Химическим веществом в стеклянном флаконе является перекись водорода. При смешивании пероксида со сложным фенилоксалатным эфиром происходит химическая реакция с образованием двух молей фенола и одного моля эфира пероксикислоты ( 1,2-диоксетандиона ). [16] Пероксикислота спонтанно разлагается до диоксида углерода , высвобождая энергию, которая возбуждает краситель, который затем расслабляется, высвобождая фотон . Длина волны фотона - цвет излучаемого света - зависит от структуры красителя. В результате реакции выделяется энергия в основном в виде света с очень небольшим количеством тепла. [15] Причина этого в том, что обратное [2 + 2] фотоциклоприсоединение 1,2-диоксетандиона является запрещенным переходом (нарушает правила Вудворда-Гофмана ) и не может происходить по обычному тепловому механизму.
Регулируя концентрации двух химикатов и основы, производители могут производить светящиеся палочки, которые светятся либо ярко в течение короткого промежутка времени, либо более тускло в течение длительного периода времени. Это также позволяет светящимся стержням удовлетворительно работать в жарком или холодном климате за счет компенсации температурной зависимости реакции. При максимальной концентрации (обычно обнаруживаемой только в лабораторных условиях) смешивание химикатов приводит к бешеной реакции, в результате которой образуется большое количество света всего на несколько секунд. Такого же эффекта можно добиться, добавив обильное количество салицилата натрия или других оснований. Нагревание светящейся палочки также заставляет реакцию протекать быстрее, и светящаяся палочка на короткое время светится ярче. Охлаждение светящейся палочки немного замедляет реакцию и заставляет ее длиться дольше, но свет становится более тусклым. Это можно продемонстрировать, охладив или заморозив активную палочку накаливания; когда он снова нагреется, он снова начнет светиться. Красители, используемые в светящихся стержнях, обычно проявляют флуоресценцию при воздействии ультрафиолетового излучения - поэтому даже использованные светящиеся стержни могут светиться в черном свете .
Сразу после активации интенсивность света высока, а затем экспоненциально затухает. Выравнивание этой начальной высокой мощности возможно за счет охлаждения ручки накаливания перед активацией. [17]
Можно использовать комбинацию двух флуорофоров, один из которых находится в растворе, а другой встроен в стенки контейнера. Это выгодно, когда второй флуорофор может разлагаться в растворе или подвергаться воздействию химикатов. Спектр излучения первого флуорофора и спектр поглощения второго должны в значительной степени перекрываться, и первый должен излучать на более короткой длине волны, чем второй. Возможно преобразование с понижением частоты из ультрафиолетового в видимое, как и преобразование между видимыми длинами волн (например, от зеленого до оранжевого) или из видимого диапазона в ближний инфракрасный. Сдвиг может достигать 200 нм, но обычно диапазон примерно на 20–100 нм больше, чем спектр поглощения. [18] Светящиеся палочки, использующие этот подход, как правило, имеют цветные контейнеры из-за красителя, встроенного в пластик. Инфракрасные светящиеся палочки могут казаться темно-красными или черными, поскольку красители поглощают видимый свет, производимый внутри контейнера, и излучают в ближнем инфракрасном диапазоне.
С другой стороны, различные цвета также могут быть получены путем простого смешивания нескольких флуорофоров в растворе для достижения желаемого эффекта. [15] [19] Эти различные цвета могут быть получены благодаря принципам аддитивного цвета . Например, комбинация красных, желтых и зеленых флуорофоров используется в оранжевых световых палках [15], а комбинация нескольких флуоресцентных ламп используется в белых световых палках. [19]
Используемые флуорофоры
- 9,10-дифенилантрацен (DPA) излучает синий свет
- 9- (2-фенилэтенил) антрацен излучает бирюзовый свет
- 1-хлор-9,10-дифенилантрацен (1-хлор (DPA)) и 2-хлор-9,10-дифенилантрацен (2-хлор (DPA)) излучают сине-зеленый свет более эффективно, чем незамещенный DPA.
- 9,10-бис (фенилэтинил) антрацен (BPEA) излучает зеленый свет с максимумом при 486 нм.
- 1-Хлор-9,10-бис (фенилэтинил) антрацен излучает желто-зеленый свет, используется в 30-минутных палочках Cyalume высокой интенсивности.
- 2-Хлор-9,10-бис (фенилэтинил) антрацен излучает зеленый свет, используется в 12-часовых стиках Cyalume низкой интенсивности.
- 1,8-дихлор-9,10-бис (фенилэтинил) антрацен излучает желтый свет, используется в стиках Cyalume
- Рубрен излучает оранжево-желтый цвет при 550 нм.
- 2,4-ди-трет-бутилфенил 1,4,5,8-тетракарбоксинафталиндиамид излучает темно-красный свет, вместе с DPA используется для получения белого или ярко-розового света, в зависимости от их соотношения
- Родамин B излучает красный свет. Его редко используют, так как он разрушается при контакте с CPPO , сокращая срок хранения смеси.
- 5,12-бис (фенилэтинил) нафтацен излучает оранжевый свет
- Виолантрон излучает оранжевый свет на длине волны 630 нм.
- 16,17- (1,2-этилендиокси) виолантрон излучает красный цвет при 680 нм.
- 16,17-дигексилоксивиолантрон излучает инфракрасное излучение на длине волны 725 нм [20]
- 16,17-бутилоксивиолантрон излучает инфракрасное излучение [21]
- N, N'-бис (2,5, -ди-трет-бутилфенил) -3,4,9,10-перилендикарбоксимид излучает красный цвет [21]
- 1-N, N-дибутиламиноантрацен излучает инфракрасное излучение [21]
- Иодид 6-метилакридиния излучает инфракрасное излучение [21]
9,10-дифенилантрацен дает синий свет.
9,10-бис (фенилэтинил) антрацен дает зеленый свет
1-хлор-9,10-бис (фенилэтинил) антрацен дает желто-зеленый свет.
рубрен (5,6,11,12-тетрафенилнафтацен) дает желтый свет
5,12-бис (фенилэтинил) нафтацен дает оранжевый свет
Родамин 6G дает оранжевый свет
Родамин B дает красный свет
Вопросы безопасности
В светящихся палочках фенол образуется как побочный продукт. Желательно держать смесь подальше от кожи и предотвратить случайное проглатывание, если корпус светящейся палочки расколется или сломается. При попадании на кожу химические вещества могут вызвать легкое раздражение кожи, отек или, в крайних случаях, рвоту и тошноту. Некоторые из химических веществ, используемых в старых светящихся палочках, считались потенциальными канцерогенами . [22] В качестве сенсибилизаторов используются полиядерные ароматические углеводороды , класс соединений, известных своими канцерогенными свойствами.
Дибутилфталат, ингредиент, который иногда используют в светящихся палочках, вызывает некоторые проблемы со здоровьем. Хотя нет никаких доказательств того, что дибутилфталат представляет серьезную опасность для здоровья, в 2006 году он был включен в список подозреваемых тератогенов Калифорнии [23].
Светящиеся палочки содержат ингредиенты, которые действуют как пластификатор. Это означает, что если светящаяся палочка попадет на какой-либо пластик, он может стать жидким. [24]
Дифенилоксалат может ужалить и обжигать глаза, раздражать и кусать кожу, а также может обжечь рот и горло при попадании внутрь.
Смотрите также
- Освещение тритием
- Гловматография
Рекомендации
- ^ Раухут, Майкл М. (1969). «Хемилюминесценция от согласованных реакций разложения перекиси (наука)». Счета химических исследований . 3 (3): 80–87. DOI : 10.1021 / ar50015a003 .
- ^ Уилсон, Элизабет (22 августа 1999 г.). «Что это за штука? Световые палочки» . Новости химии и машиностроения . 77 (3): 65. DOI : 10.1021 / Сеп-v077n003.p065 . Архивировано с оригинала (перепечатка) 19 мая 2012 года.
- ^ Чандросс, Эдвин А. (1963). «Новая хемилюминесцентная система». Буквы тетраэдра . 4 (12): 761–765. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (01) 90712-9 .
- ^ Руд, С.А. "Глава 4 Пост-законодательные случаи" (PDF) . Государственная лабораторная передача технологий: оценка процесса и воздействия (докторская диссертация) . Архивировано из оригинала на 2015-10-26 . Проверено 23 сентября 2020 . Внешняя ссылка в
|work=
( помощь ) - ^ Стив Гивенс (27 июля 2005 г.). «Великий спор о светящейся палочке (раздел форума)» . Студенческая жизнь.
- ^ ( Патент 3774022 )
- ^ ( Патент 3764796 )
- ^ ( Патент 3,819,925 )
- ^ ( Патент 3,933,118 )
- ^ ( Патент 4064428 )
- ^ Дэвис, Д. (1998). «Устройства для определения местоположения водолаза» . Журнал Южнотихоокеанского общества подводной медицины . 28 (3). Архивировано из оригинала на 2009-05-19.
- ^ "Что такое свечение?" . Glowsticking.com. 2009-09-19. Архивировано из оригинала на 2013-01-28 . Проверено 21 декабря 2012 .
- ^ «Jai Glow! PCD против Team Ef Em El» . YouTube. 2011-02-21 . Проверено 21 декабря 2012 .
- ^ «Самый большой светящийся стик» . guinnessworldrecords.com . Проверено 15 мая 2020 .
- ^ а б в г Кунцлеман, Томас Скотт; Рорер, Кристен; Шульц, Эмерик (2012-06-12). «Химия световых палочек: демонстрации для иллюстрации химических процессов». Журнал химического образования . 89 (7): 910–916. Bibcode : 2012JChEd..89..910K . DOI : 10.1021 / ed200328d . ISSN 0021-9584 .
- ^ «Данные» (PDF) . www.bnl.gov . Проверено 15 декабря 2019 .
- ^ "Информация" . www.dtic.mil . Проверено 15 декабря 2019 .
- ^ «Химическое осветительное устройство - American Cyanamid Company» . Freepatentsonline.com. 1981-02-19 . Проверено 21 декабря 2012 .
- ^ а б Kuntzleman, Thomas S .; Комфорт, Анна Е .; Болдуин, Брюс В. (2009). «Гловматография». Журнал химического образования . 86 (1): 64. Bibcode : 2009JChEd..86 ... 64K . DOI : 10.1021 / ed086p64 .
- ^ Карукстис, Керри К .; Ван Хек, Джеральд Р. (10 апреля 2003 г.). Химические связи: химическая основа повседневных явлений . Академическая пресса. п. 139 . ISBN 9780124001510. Проверено 21 декабря 2012 .
инфракрасный лайтстик.
- ^ а б в г «Хемилюминесцентные композиции и способы их изготовления и использования - заявка на патент» . Faqs.org. 2008-12-18 . Проверено 21 декабря 2012 .
- ^ "Статьи СКАФО в Интернете" . scafo.org .
- ^ «Дебутилфталат» . PubChem.
- ^ «Все, что нужно знать о светящихся палочках ...» glowsticks.co.uk .
Внешние ссылки
- Химия светящихся палочек