Канюков В.Н., Стрекаловская А.Д., Килькинов В.И., Базарова Н.В. Материалы для современной медицины

Подождите немного. Документ загружается.

стей. Применяется в медицине, в химическом, фармацевтическом и пищевом

производстве.

Кроме того, существуют следующие виды стекол:

- безопасное, безосколочное стекло, которое применяется для остекления

транспортных средств, в самолетах;

- фотохромовое стекло, которое меняет светопропускание в зависимости от

интенсивности освещения;

- стекло с уникальными свойствами: звукоизолирующее, солнцезащитное, пу-

ленепробиваемое (бронированное).

Прозрачность, химические и термические свойства позволяют широко

использовать стекло в медицине: ампулы, аптечная и лабораторная посуда, оч-

ки, термометры, детали медицинских аппаратов и оборудования, предметы

ухода за больными. Хорошие гигиенические качества стекла объясняются тем,

что оно легко обрабатывается, моется, стерилизуется, является хорошим за-

щитным экраном от пыли и микрофлоры. Стекло широко применяется в

строительстве для остекления светопроемов, устройства светопрозрачных ог-

раждений и перегородок. В быту – зеркала, детали мебели, светильники, ху-

дожественные изделия, стеклянная посуда.

Гигиенические требования к стеклу:

- должно пропускать много света, создавая необходимые условия зрительного

контакта и, наоборот, обеспечивать зрительную изоляцию при необходимо-

сти;

- должно обладать теплозащитными свойствами;

- легко поддаваться очистке и обработке;

- быть безвредным, т.е. посуда должна быть химически стабильной (безопас-

ной);

- иметь термическую устойчивость;

- не имеет режущих граней.

Стекольная промышленность в настоящее время выпускает достаточно

широкий ассортимент стекол: строительное, техническое, медицинское, опти-

ческое, промышленную тару, тепло- и гидроизоляционные материалы, худо-

жественные изделия и т.п.

Основными цехами стекольной промышленности являются:

1) составной цех – накапливает кварцевый песок, соду, мел, сульфат натрия,

доломит, пегматит и другие компоненты, входящие в стекольную шихту. Здесь

же все обрабатывается и подается в следующий цех;

2) цех выработки, где производят варку стекла в ваннах или горшковых печах.

При этом технологический процесс полностью автоматизирован и механизиро-

ван. Художественные изделия из стекла изготавливаются полностью вручную,

непосредственно возле печи. Выработка крупных хрустальных изделий, отлом-

ка стекла производится вручную, что требует физического напряжения;

3) цех обработки, где производят обрезку у заготовок на станках огневой рез-

ки; шлифовку изделий, при необходимости наносят алмазную грань; выполня-

ют полировку изделий смесью, состоящей из плавиковой 40 % и серной 60 %

кислот, и производят разрисовку.

В данном контексте нам будут интересны оптические элементы из стек-

ла в медицинских приборах, аппаратах и системах.

К основным оптическим элементам из стекла относятся линзы, призмы,

зеркала, волоконно-оптические элементы. Оптические приборы в медицине

можно разделить на:

− приборы, работающие с участием глаза – визуальные (например, диоптри-

метр, лупа, микроскоп, эндоскоп, очки, кератометр);

− приборы, работающие без участия глаза – осветители, облучатели и т.п.

Оптика оказала существенное влияние на развитие практической меди-

цины и здравоохранения. Например, применение медицинского микроскопа в

хирургии, офтальмологии, отоларингологии (особенно открытие лазера), при-

вело к развитию новых возможностей в области микрохирургии глаза, эндоско-

пической хирургии и других медицинских направлениях. Применение оптики

получило широкое распространение в диагностике, тепловидении, голографии.

3.3 Разрушение стекла

До недавнего времени мало, что было известно о механизме растрески-

вания стекла. Например, в середине 60-х годов результаты точных измерений,

показавших, что необходимое для разрушения стекла напряжение уменьшается

с увеличением продолжительности воздействия на него воды, помогли объяс-

нить, почему вода облегчает разрезку стекла, однако вопрос о том, как это про-

исходит, практически остался невыясненным. Ответ на вопрос о механизме

растрескивания стекла начал вырисовываться в 1979 г. Тогда сотрудники На-

циональной лаборатории Сандия и С. Фрайман из Национального бюро стан-

дартов США начали независимо разрабатывать математические модели для

описания растрескивания стекла на атомном уровне. Анализ физических и хи-

мических взаимодействий, приводящих к разрыву межатомных связей на кон-

чике трещины, позволяет установить удивительную связь между атомной

структурой материала и его надежностью в смысле практического применения.

Кроме того, фундаментальные результаты исследований роста трещин на атом-

ном уровне служат ориентиром при поиске применений стекла и других оксид-

ных материалов в новейших технических средствах.

Наверное, каждый сталкивался с проблемой разрушения стекла уже в

детстве. Это мог быть разбитый стакан с молоком или оконное стекло, разле-

тевшееся вдребезги от удара мяча. Когда стекло разбивается, кажется, что тре-

щины образуются мгновенно. Высокоскоростная фотография показывает, что

трещины могут распространяться в стекле со скоростью, измеряемой сотнями

метров в секунду, что составляет приблизительно половину скорости звука в

стекле.

Хотя разрушение стекла может происходить внезапно, во многих слу-

чаях ему предшествует медленный рост ранее существовавших трещин. Мед-

ленно растушую трещину часто можно обнаружить на ветровом стекле автомо-

биля. Рост маленькой трещины, образовавшейся от удара камешка, прослежи-

вается день за днем, по мере того как трещина постепенно распространяется

через все ветровое стекло. В других случаях маленькие, незаметные поверхно-

стные трещины растут в течение некоторого «инкубационного» периода, а ко-

гда достигают определенной критической величины, вызывают быстрое разру-

шение. Трещины в стекле могут расти со скоростью менее 2,5 · 10

-12

см/ч; при

таких условиях «инкубационный» период занимает несколько лет, и лишь по-

том происходит быстрое разрушение. На атомном уровне столь медленный

рост трещин соответствует последовательному разрыву межатомных связей со

скоростью примерно одна связь в час. Диапазон скоростей разрушения стекла,

охватывающий 12 порядков величины, — от чуть ли не мгновенного раскалы-

вания до медленного разрушения при ползучести, что делает исследование рос-

та трещин особенно увлекательным занятием.

Как это ни удивительно, чистое стекло — один из прочнейших ма-

териалов. В условиях высокого вакуума бездефектное стекло выдерживает рас-

тягивающую нагрузку, превышающую 10 ГПа, что в 10 раз превосходит проч-

ность большинства металлических сплавов. Однако при обычных условиях по-

верхность стекла подвергается воздействию твердых частиц и химических

агентов, которые создают на ней маленькие трещины и способствуют их росту,

в конце концов, приводя к снижению прочности стекла. Влияние химических

агентов на скорость роста трещин ставит серьезнейшую проблему перед конст-

рукторами, так как в результате происходит не только непосредственное

уменьшение прочности, но и разрушение конструкции, которая находилась под

нагрузкой в течение нескольких лет.

Одно из наиболее сильнодействующих веществ — это вода, которая

представляет особенно серьезную угрозу, поскольку всегда присутствует в ат-

мосфере. Вода может ускорить рост трещин более чем в миллион раз, «атакуя»

структуру стекла на самом кончике трещины.

Люди, конечно, давно осознали способность воды облегчать рас-

трескивание стекла. Есть сведения, что американские индейцы использовали

эту особенность. При изготовлении наконечников стрел из флинта — одной из

форм кремнезема (диоксида кремния), родственной по своей химической при-

роде стеклу, песку и кварцу. Например, индейцы, обитавшие в окрестностях

озера Катахула в штате Луизиана, исполняли ритуал, в ходе которого они дер-

жали над паром куски флинта, перед тем как разбить их. Недавние эксперимен-

ты с аналогичными материалами подтвердили, что после увлажнения флинт

раскалывается легче. И теперь стекольщики перед отламыванием стекла смачи-

вают водой (или слюной) царапину, оставленную стеклорезом. Вода снижает

напряжение, необходимое для роста первоначальной трещины, и обеспечи-

вает более ровное раскалывание стекла.

Научные основы для определения условий, вызывающих рост трещин и

разрушение стекла, были заложены 60 лет назад пионерной работой А. Гриф-

фита из Королевского авиационного ведомства. Гриффит пытался вычислить

минимальную энергию, необходимую для инициирования роста трещины. Ис-

ходным пунктом его расчетов служил хорошо известный факт, что расположе-

ние атомов на поверхности энергетически менее выгодно, и поэтому их энергия

выше, чем у атомов в объеме.

Рост трещин в стеклянном бруске с высверленным в его центре отвер-

стием регистрировался в серии экспериментов выполненных сотрудниками На-

циональной лаборатории Сандия. Сжимающая нагрузка, приложенная к пла-

стине в продольном направлении, создает растягивающее напряжение, которое

вызывает рост двух трещин — выше и ниже отверстия.

Рисунок 1 – Рост трещин в стеклянном бруске

Скорость роста трещин измеряется с помощью микроскопа, который ус-

танавливается в верхней части установки. Все устройство помещается в ваку-

умную камеру, с тем чтобы тщательно контролировать химическое окружение.

Внутри камеры создается высокая влажность, вследствие чего рост трещин ус-

коряется. Фотографии в поляризованном свете показывают, что напряжения

концентрируются на самом

кончике трещины, в соот-

ветствии с рисунком 1.

Иными словами, на созда-

ние новой поверхности

нужно затратить некото-

рую энергию. Гриффит

предположил, что трещина

в стекле растет только то-

гда, когда энергия прило-

женного к нему напряже-

ния больше, чем энергия

новых поверхностей, воз-

никающих при расколе.

(Пока приложенное на-

пряжение не превысит оп-

ределенное минимальное

значение, энергия на-

капливается в стекле, как

если бы оно было пружи-

ной.) Используя свои дан-

ные по поверхностной

энергии стекла и имею-

щиеся результаты расчетов распределения напряжений вокруг трещины на по-

верхности, Гриффит определил разрушающую нагрузку при расколе пластины.

Он блестяще подтвердил свой вывод на практике в экспериментах со стеклян-

ными трубками.

Гриффит установил также, что чем меньше первоначальная трещина в

стекле, тем большее напряжение надо создать для инициирования ее роста. Это

объясняет, почему элементарные стеклянные волокна, имеющие только мель-

чайшие поверхностные трещины, в 100—1000 раз прочнее обычного оконного

стекла, на поверхности которого в процессе изготовления образуются довольно

большие трещины. Энергетический подход Гриффита к описанию прочности и

разрушения стекла указал также на важную роль химии поверхности в форми-

ровании механических свойств хрупких материалов. Химические агенты (на-

пример, вода), уменьшающие поверхностную энергию твердого тела, в конце

концов приведут и к снижению прочности материала.

В середине 60-х годов Ш. Видерхорн и несколько других исследовате-

лей изучали, как изменяется прочность стекла со временем. Наблюдая рост

трещин под микроскопом и одновременно тщательно контролируя величину

напряжения и условия окружающей среды, они сделали ряд важных открытий.

Во-первых, трещины в стекле непрерывно растут и за этим ростом можно сле-

дить; иными словами, разрушение происходит не внезапно. Во-вторых, ско-

рость роста трещины зависит от приложенного напряжения и влажности окру-

жающей среды. В-третьих, момент разрушения можно предсказать, если из-

вестна скорость роста маленьких поверхностных трещин под действием напря-

жения: по мере медленного роста таких трещин в стекле накапливается энергия

напряжения, пока, наконец, не происходит быстрое разрушение.

Прочность изменяется с ростом трещин, проникающих в глубь материа-

ла (вверху), в соответствии с рисунком 2. Когда стекло напряжено, кончик тре-

щины (в середине) распространяется внутрь материала. По этой причине авто-

ры попытались описать рост трещины на атомном уровне (внизу). Элементар-

ная ячейка структуры

стекловидного кремнезе-

ма — плотноупакованный

тетраэдр, состоящий из

центрального атома

кремния (синий), окру-

женного четырьмя ато-

мами кислорода (крас-

ные). Каждый атом ки-

слорода образует химиче-

ские связи с атомами

кремния двух соседних

тетраэдров, так что вся-

кий тетраэдр соединен с

четырьмя соседними.

Тетраэдры образуют сеть

связанных между собой

циклов, каждый из кото-

рых содержит 5—7 тетра-

эдров. Для ясности атомы

кислорода представлены

кружками меньшего раз-

мера и показаны не все

связи между тетраэдрами.

Рисунок 2 – Изменение прочности стекла с рос-

том трещин

К сожалению, причиной разрушения через 10 лет многих конструкций,

построенных сегодня, могут быть маленькие трещины, которые начинают расти

со скоростью менее 2 ·10

-12

см/ч, что, как мы уже отмечали, соответствует по-

следовательному разрыву межатомных связей со скоростью одна связь в час.

Существующие экспериментальные методы не позволяют измерить столь ма-

лую скорость. Именно по этой причине мы попытались разработать модель

процессов, протекающих на кончике растущей трещины, на атомном уровне.

Вода может вступать в реакцию со стеклом и ускорять образование в

нем трещин. Молекула воды входит в трещину (слева) и адсорбируется на ее

кончике (в середине), в соответствии с рисунком 3. Она вызывает согласован-

ную химическую реакцию (справа), в ходе которой разрываются связь между

кремнием и кислородом на кончике трещины и связь между кислородом и во-

дородом в молекуле воды, и в результате образуются две силанольные группы

(гидроксильные группы, соединенные с атомом кремния). Разрыв одной связи

приводит к увеличению длины трещины. Реакция с водой снижает энергию,

требуемую для разрыва связи кремний — кислород, в двадцать раз, и поэтому

ускоряет рост трещин.

Перед тем как рас-

смотреть химические ре-

акции, сопровождающие

растрескивание стекла на

атомном уровне, надо

описать структуру стек-

ловидного кремнезема.

Основной «строительный

элемент» большинства

форм кремнезема —

плотноупакованная тетраэдрическая элементарная ячейка, которая состоит из

центрального атома кремния, окруженного четырьмя атомами кислорода. Каж-

дый атом кислорода в вершине тетраэдра образует связи с атомами кремния,

расположенными в центрах двух соседних тетраэдров; таким образом, каждый

тетраэдр соединен с четырьмя соседними. Кристаллические формы кремнезема,

такие, например, как кварц, характеризуются регулярным расположением тет-

раэдров в структуре. В стекловидном кремнеземе тетраэдры образуют беспоря-

дочное скопление связанных между собой циклов (колец), каждый из которых

обычно содержит пять-семь тетраэдров (см. нижнюю часть рисунка 2). По мере

роста трещины тетраэдрические ячейки отрываются друг от друга в результате

разрыва связей кремний — кислород. Кончик трещины по размерам соответст-

вует отдельной циклической структуре, которая вскрывается с одной стороны,

благодаря чему становится доступной следующая связь кремний — кислород.

Минимальное расстояние, на которое может продвинуться трещина, равно диа-

метру силикатного цикла (0,4—0,5 нм). Точное значение определяется числом

тетраэдров в цикле.

Рисунок 3 – Реакция воды со стеклом

Таким образом, энергия, требуемая для разрыва связи кремний — ки-

слород между двумя силикатными тетраэдрами, резко снижается (примерно в

20 раз) в присутствии воды. Характерно, что при выдерживании стекловидного

кремнезема в глубоком вакууме связи между силикатными тетраэдрами стано-

вятся очень прочными: для разрыва всех связей кремний — кислород, со-

держащихся в 1 г кремния, надо затратить 1300 кал. (Для того чтобы нагреть 1 г

воды от комнатной температуры до кипения требуется 75 кал.) Однако когда в

системе присутствует вода, между молекулой воды и связью кремний — кисло-

род может происходить химическое взаимодействие, облегчающее разделение

тетраэдрических ячеек.

Процесс взаимодействия включает три стадии. Во-первых, молекула во-

ды движется внутри трещины к ее кончику, где поглощается веществом. Не по-

деленные электроны атома кислорода в молекуле воды образуют связь с крем-

нием в результате использования не занятых электронных орбиталей атома

кремния. Тем временем один из атомов водорода в молекуле воды притягивает-

ся к атому кислорода из первоначальной связи кремний — кислород. Во-

вторых, вновь образовавшиеся связи усиливаются, тогда, как первоначальная

связь ослабляется. В конце концов, атом водорода молекулы воды переходит к

атому кислорода этой связи, после чего связь разрывается. В-третьих, проис-

ходит распад молекулы воды и первоначальной связи кремний — кислород с

образованием двух поверхностных силанольных групп (состоящих из гидро-

ксильных групп и атома кремния). Трещина продвигается на один элементар-

ный шаг. Весь описанный процесс называется диссоциативной хемосорбцией.

Таким образом, химическая реакция между кремнеземом и водой при-

водит к снижению энергии, затрачиваемой на увеличение трещины. Вместо вы-

сокостабильной связи кремний — кислород образуются почти столь же ста-

бильные продукты реакции — поверхностные силанольные группы. Поскольку

энергия химической реакции равна разности энергий реагентов и продуктов,

можно показать, что на разрыв связей кремний — кислород в присутствии воды

необходимо затратить энергию 78 кал/г в отличие от 1300 кал/г, требуемых, ко-

гда система находится в вакууме.

Модель диссоциативной хемосорбции, описывающая разрыв связей на

кончике трещины, позволяет указать реактивы, которые могут вызывать мед-

ленный рост трещин в кремнеземе. Такие реактивы должны обладать, способ-

ностью отдавать электроны для образования связи с атомом кремния, а также

отдавать положительно заряженный ион водорода для соединения с атомом ки-

слорода, который первоначально был связан с атомом кремния. Кроме того, от-

дельная молекула реактива должна быть достаточно мала, и входить в кончик

трещины, чтобы разрыв и образование связей происходили одновременно. Ам-

миак и метанол, например, удовлетворяют обоим требованиям, и они действи-

тельно ускоряют рост трещин в кремнеземе. Влияние аммиака, молекулы кото-

рого близки по размерам молекулам воды, почти идентично влиянию воды.

Скорость роста трещины зависит не только от химического окружения,

но и от величины приложенного механического напряжения. Для построения

полной модели кинетики разрушения надо знать, как напряжение ускоряет ре-

акцию разрыва связи кремний — кислород.

В отсутствие напряжения кремнезем реагирует с водой очень медленно.

Диссоциативная реакция, которую мы рассмотрели, приводит к растворению

стекловидного кремнезема водой на поверхности со скоростью порядка

-17

м/с; связи кремний — кислород на свободной от напряжения поверхности

настолько нереакционноспособные по отношению к воде, что даже не адсорби-

руют водяного пара. Однако создание напряжения может вызвать рост трещин

со скоростью более 1 мм/с.

На кончике трещины напряжения концентрируются во многом анало-

гично тому, как на металлическом острие сгущаются силовые линии электриче-

ского поля. Чем ближе к кончику трещины, тем больше напряжение; на кончи-

ке, размер которого составляет несколько атомных диаметров, оно достигает

значения порядка 10

МПа. Под воздействием столь большого напряжения ис-

кажается атомная структура кремнезема. Теоретические расчеты показывают,

что если силикатный тетраэдр искажается в результате оттягивания атомов ки-

слорода в вершинах, то атом кремния в его центре с большей легкостью связы-

вается с молекулой воды. Кроме того, химическое взаимодействие с водой

уменьшает силу, требуемую для дальнейшей деформации связей кремний —

кислород.

Модельная система состоит из небольших циклов, образованных атома-

ми кремния и кислорода (по два атома кремния и два атома кислорода на один

цикл). Эти так называемые циклы с поделенными (общими) ребрами, которые

возникают, когда две тетраэдрические элементарные ячейки связываются друг

с другом вдоль одного ребра, могут сформироваться на поверхности частиц по-

рошка кремнезема, нагретого выше 900

С. Циклические структуры с поделен-

ными ребрами — подходящие объекты для изучения явлений напряжения свя-

зей, поскольку валентные углы и длины связей у них сильно искажены по срав-

нению с обычным стекловидным кремнеземом.

Размер молекул вещества влияет на его способность ускорять рост тре-

щин в стекле, в соответствии с

рисунком 4. Вода, размер моле-

кул которой составляет только

0,26 нм (1 нм = 10

-9

м), вызыва-

ет более быстрый рост трещин,

чем метанол (0,36 нм), а анилин

(0,42 нм) едва ли вообще оказы-

вает какое-нибудь влияние

(вверху). Такое поведение объ-

ясняется тем, что молекула во-

ды легко входит в отверстие

трещины (его диаметр состав-

ляет 0,4—0,5 нм), молекула ме-

танола — с трудом, а молекула

анилина настолько крупна, что

не может достичь области раз-

рыва связей (внизу).

Для изучения механизма

и кинетики реакций между во-

дой (и другими реактивами) и

силикатными циклами с поде-

ленными ребрами, необходимо

Рисунок 4 – Влияние размера молекул ве-

щества на его способность ускорять рост

трещин в стекле

применять метод инфракрасной Фурье-спектроскопии. В инфракрасном спек-

трометре образец помещается на пути инфракрасного излучения. Излучение,

прошедшее через образец, разделяется на составляющие с различными часто-

тами; характеристикой, является интенсивность этих составляющих. На неко-

торых частотах наблюдается резкое падение интенсивности излучения, регист-

рируемого детектором. Это явление объясняется тем, что каждая отдельная мо-

лекулярная структура в образце имеет собственную, характеристическую, час-

тоту колебаний. Когда эта частота совпадает с частотой инфракрасного излуче-

ния, возникает эффект «резонанса», большая доля падающего излучения по-

глощается образцом и детектора достигает лишь малая его часть. Регистрируя

частоту и относительную интенсивность поглощенного изучения, можно опре-

делить типы молекулярных структур и относительное содержание каждой из

них в образце.

В инфракрасном Фурье-спектрометре вместо детектирования каждой от-

дельной частоты применяется метод оптической интерференции с целью быст-

рого сканирования всего частотного диапазона. Сканирование охватывает все

частоты в инфракрасной области спектра, поэтому получение необходимой ин-

формации занимает лишь долю секунды, тогда как при использовании обычной

инфракрасной спектроскопии для получения всего инфракрасного спектра тре-

буется около получаса. Отдельные частоты затем разделяются математически с

помощью Фурье-преобразования. Выгода от применения инфракрасной Фурье-

спектроскопии очевидна: при изучении быстрых химических реакций требуется

быстро и точно определять, как концентрации реагентов, промежуточных ве-

ществ (реакционных интермедиатов) и продуктов изменяются во времени.

Инфракрасная Фурье-спектроскопия позволяет проследить за кинетикой

реакции тех веществ, которые играют важную роль в процессе разрушения

стекла. С помощью этого метода можно различить циклы с поделенными реб-

рами (реагенты), молекулы воды, адсорбированные на таких циклах (интерме-

диаты), и кремнийгидроксильные группы (продукты). На основании чего мож-

но сделать следующие выводы. Во-первых, атом кремния в напряженном цикле

с большей легкостью принимает электроны, чем атом кремния в ненапряжен-

ном стекле. Следовательно, атом кремния в напряженном цикле с большей лег-

костью адсорбирует электронодонорные молекулы, такие, как молекулы воды,

аммиака и метанола. Во-вторых, все реактивы, ускоряющие рост трещин в

стекловидном кремнеземе, диссоциативно хемосорбируются на напряженном

цикле: они расщепляют одну из напряженных связей кремний — кислород в

цикле. И, наоборот, вещества, которые не реагируют с циклами, имеющими по-

деленные ребра, не влияют на рост трещин в кремнеземе. В-третьих, скорость

расщепления цикла была в 100 000 раз выше скорости реакции плоской нена-

пряженной поверхности кремнезема с водой, при воздействии водяного пара на

простую модельную систему. Следовательно, связи кремний — кислород могут

быстро разрываться в ходе ускоряемой напряжением реакции с водой и други-

ми веществами.

Теоретические расчеты по-

казывают, что в присутствии воды

снижается энергия, требуемая для

напряжения, или искажения, эле-

ментарной ячейки структуры стек-

ловидного кремнезема, представ-

ляющей собой тетраэдр, в соответ-

ствии с рисунком 5. В отсутст-

вие воды для изменения валентно-

го угла между двумя атомами ки-

слорода от 105 до 108° нужно за-

тратить энергию 73 ккал/моль

(вверху). В присутствии воды необ-

ходима энергия только 30

ккал/моль (внизу). Чтобы сокра-

тить число электронов, учитывае-

мых в расчетах, два атома кисло-

рода в тетраэдре заменялись атомами водорода.

Рисунок 5 – Влияние присутствия воды

на снижение энергии

Эксперименты подтверждают важную роль механического напряжения

в ускорении роста трещины. На рисунке 6 показана реакция между молекулой

аммиака и циклом с поделенными ребрами. Молекула адсорбируется на атоме

кремния напряженного цикла; в результате диссоциативной хемосорбционной

реакции разрываются связи кремний — кислород — кремний. Напряженные

связи такого типа реагируют в 100 000 раз быстрее, чем ненапряженные.

Инфракрасная Фурье-спектроскопия используется для измерения скоро-

стей реакций между различными

веществами и силикатными цик-

лами с поделенными ребрами. На

рисунке 7 приведен пример реги-

страции реакции с метанолом.

Скорости, с которыми исчезают

циклы (слева) и появляется хемо-

сорбированный метанол (справа),

измеряются путем помещения об-

разца в поток инфракрасного из-

лучения. Когда частота излучения совпадает с характеристической частотой

колебаний каждой молекулы, наблюдается сильное поглощение излучения (пи-

ки на кривых).

Рисунок 6 - Реакция между молекулой

аммиака и циклом с поделенными реб-

ами

Молекулы воды и аммиака близки по размерам (около 0,26 нм), тогда

как молекулы метанола намного больше (0,36 нм). Молекулы меньшего разме-

ра, например воды и аммиака, могут легко войти в трещину (диаметром 0,4—

0,5 нм) и вызвать реакции разрыва связей, в то время как более крупные моле-

кулы, подобные молекуле метанола, входят в нее с трудом. Действительно, мо-

лекулы, размер которых превышает 0,4 нм, не влияют сколько-нибудь заметно

на рост трещины; вероятность их проникновения к месту, где происходят реак-