ФАКТЫ: Ожог
Где-то на старой ели
Свила гнездо жар-птица...
Дмитрий Демин
Введение
Углерод и его полиморфные модификации в настоящее время являются объектами всесторонних научных исследований. Часто, углеродные пленки, создаваемые различными технологиями (магнетронное напыление, разряд, лазерное напыление и др.), обладают интенсивной фотолюминесценцией в видимой области [Apakina etc., 1997]. В данной работе обнаружена взаимосвязь между люминесценцией таких пленок и наличием в них нанокристаллов углерода со структурой кристаллического графита. На основании полученных данных предложена методика для изучения природы температурных ожогов деревьев на примере Тунгусской катастрофы.
Методика
Углеродные пленки создавались различными методиками:
- тлеющим или низкочастотным разрядом в рабочей смеси ацетилен - водород - углекислота; характерные энергии ионов менялись в диапазоне 250 - 1500 эВ;
- плазменным напылением;
- воздействие раскаленных струй на древесину имитировалось воздействием плазмы 10 6 Вт/см2, длящимся 50 с; - световой ожог создавался излучением СО2 лазера. В проведенных экспериментах спектры комбинационного рассеяния света (КРС) регистрировались на оснащенном микроскопом спектрометре U - 1000 Jobin-Yvon в режиме исследования микрообразцов. Это позволяло выбирать однородные участки исследуемой поверхности образца и контролировать отсутствие теплового воздействия лазерного луча на образец. Для возбуждения использовалось излучение 488 нм аргонового лазера, которое фокусировалось в пятно диаметром до 20
k. Разрешение прибора составляло 1 - 5 см-1.
Результаты экспериментов и обсуждение
Рис. 1. Спектры излучения углеродных пленок при возбуждении светом 488 нм:
1 - плазменное напыление;
2 - разряд в атмосфере ацетилен-водород;
3 - распыление углеродной мишени
На рис.1 приведены типичные спектры излучения углеродных пленок, полученных различными методиками. Характерной особенностью таких спектров является сильная или слабая люминесценция и наличие полос КРС, соответствующих спектру графита (1355, 1580 см-1). Для изучения природы этой люминесценции были изготовлены углеродные пленки плазменным напылением атомов углерода на различные подложки. При такой методике практически исключалась возможность внедрения в пленку атомов другого сорта. Полученные пленки (из-за неоднородности плазменного пучка) получались одной толщины, но с различными оптическими свойствами. Так, на одной и той же подложке существовали области прозрачной пленки с сильной люминесценцией и непрозрачные области черного цвета, практически не люминесцирующие. На рис.2,б приведены спектры люминесценции переходной области (черный участок=>прозрачный участок) с пространственным разрешением ~20мкм. На рис.2,а приведены те же спектры в области 1000-1800 см-1 с лучшим отношением сигнал/шум. Очевидно, что темные участки пленки представляют собой углерод со структурой кристаллического графита. По мере уменьшения размеров кристаллов (сдвиг и уширения полос КРС) происходит увеличение интенсивности фотолюминесценции. Оценка размеров частичек графита по спектрам КРС дает ~1-10 нм. Мы предполагаем, что интенсивная фотолюминесценция обусловлена наличием нанокристаллов графита.
Природа данного эффекта еще не совсем ясна. Однако, можно провести аналогию с кремнием и германием, которые также относятся к IV группе периодической системы химических элементов и, будучи в нанокристаллическом (пористом) состоянии, обладают сильной фотолюминесценцией.
Исследование ожогов на деревьях из района тунгусской катастрофы
Работы, ведущиеся уже 90 лет по исследованию так называемого Тунгусского метеорита, не дали на сегодняшний день однозначного ответа на вопрос, что это было за космическое тело [Vasilyev, 1998]. На месте падения тела можно видеть деревья с ожогами, которые они получили в 1908 году в момент взрыва болида; впервые такие деревья были описаны Л. А. Куликом [Кулик, 1939] и Е. Л. Криновым [Кринов, 1949]. Исследователи отметили верхушечный ожог ствола (вершина у дерева обычно отсутствует) при сравнительной сохранности дерева на более низком уровне - факт, который дает возможность говорить об обжигающем воздействии сверху. Была также установлена характерная форма ожогового пятна веток, напоминающая «птичий коготок».
Рис. 2. Спектры КРС различных участков переходной области углеродной пленки, полученной плазменным напылением: 1 - не люминесцирующий участок; 5 - сильно люминесцирующий участок
Изучение этих ожогов может пролить свет на конкретные характеристики взрыва и способствовать выяснению природы Тунгусского космического тела (ТКТ). За изначальным ожогом в принципе должно было следовать обычное горение дерева, как при лесном пожаре. Существуют разные точки зрения на возникновение возгора ния. Л. А. Кулик объяснял происхождение начальных ожогов действием раскаленных струй [Кулик, 1939]. Позднее была высказана идея, что они являются результатом облучения световым импульсом длительностью несколько секунд [Зенкин, Ильин, 1964]. В последнее время внутри древесины дерева, жившего какое-то время и после катастрофы, были обнаружены застрявшие металлические и неметаллические частицы размером примерно 1 - 70k, которые, по-видимому, принадлежат упавшему космическому телу [Alekseev, 1998]. Это вновь обращает внимание на концепцию Л. А. Кулика о нанесении ожогов струями вещества ТКТ. В настоящей работе мы попытались применить полученные данные об оптических свойствах наночастиц углерода для исследования природы ожога на древесине. На рис.3 приведены спектры рассеяния света от образцов древесины, обожженных в лаборатории различными способами. Кривая 1 соответствует необработанной древесине. В спектре присутствует широкая полоса люминесценции, что обычно для широкого набора органических соединений. При обжигающих воздействиях на древесину происходит выделение углерода, что легко регистрируется КРС. Так, спектр 2 получен от образца древесины, обработанной лазерным излучением. На графике 4 приведен спектр древесины, обработанной импульсным потоком плазмы. Для сравнения приведен спектр 5, полученный от древесины, обработанной простым химическим горением. Оказалось, что при импульсном воздействии частотный максимум люминесценции обработанных участков древесины приблизительно совпадает с положением максимума люминесценции наночастиц углерода. В спектре также проявляются полосы КРС сильно разупорядоченного графита. По мере же увеличения длительности воздействия на древесину максимум люминесценции сдвигается в низкочастотную область и интенсивность люминесценции уменьшается, в пределе стремясь к форме спектра обычного горения. На рис. 3,3 представлен спектр древесины из района падения Тунгусского метеорита. По наличию смещения максимума люминесценции в низкочастотную часть спектра мы делаем вывод, что древесина была обожжена путем импульсного воздействия (светового или плазменного).
Рис. 3. Спектры излучения различных образцов древесины при возбуждении светом 488 нм: 1 - необработанная древесина; 2 - обработка лазерным излучением; 3 - образец древесины из района падения Тунгусского метеорита; 4 - обработка потоком плазмы; 5 - химическое горение
Работа частично поддержана программами:
МНТП «Физика твердотельных наноструктур», проект № 97-1050;
ГНТП «Фундаментальная спектроскопия», проект № 08.02.73.
Литература
Alekseev V. A. New aspects of the Tunguska meteorite problem // Planetary and Space Sci. Special issue: International Workshop TUNGUSKA 96. Bologna (Italy), 15 -17 July 1996.Vol. 46, n. 2/3; 1998. P. 169 - 177.
Apakina V.N., Karuzskii A.L., Kogan M.S., Kvit A.V., Mityagin Yu.A., Murzin V.N., Melnik N.N., Orlicovsky A.A., Perestoronin A.V., Tkachenko S.D., Volchkov N.A.. Diamond and Related Materials. 1997. Vol. 6. P. 564-568.
Vasilyev N. V. The Tunguska Meteorite Problem Today // Planetary and Space Sci. Special issue: International Workshop TUNGUSKA 96. Bologna (Italy), 15-17 July 1996. Vol. 46, n. 2/3; 1998. P. 129- 150.
Зенкин Г. М., Ильин А. Г. О лучевом ожоге деревьев в районе взрыва Тунгусского метеорита // Метеоритика. 1964. Вып. 24. С. 129- 140.
Кулик Л. А. Данные по Тунгусскому метеориту к 1939 // Доклады АН СССР. Новая серия. 1939. Т. 22. С. 520 -524.
Кринов Е. Л. Тунгусский метеорит. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1949