Материалы для создания носителей информации. Химия и нанотехнологии

В условиях все возрастающих объемов информационных потоков, CD-R диски прочно укрепились как стандарт передачи информации, так как позволяют записывать и надежно хранить данные во всех популярных форматах (таких как Audio CD, Video CD, Photo CD, CD-ROM) на простом и дешевом носителе — лазерном компакт-диске. Продолжающийся рост парка установленных дисководов CD-ROM служит гарантией того, что этот метод распространения крупных массивов информации еще долгое время будет оставаться популярным, особенно после очередного резкого снижения стоимости чистых CD-R дисков (менее $1 за шт. в розницу).

На сегодняшний день изготовлением CD-R дисков во всем мире занимаются несколько десятков предприятий, но первопроходцами и законодателями мод в этой области были и остаются японские корпорации Taiyo Yuden и Mitsui Toatsu, которые освоили это наукоемкое производство в начале 90-х годов. Впрочем, первый CD-R диск был выпущен не ими, а корпорацией Fuji Film, которая использовала технологию схожую с той, что уже применялась ею при производстве фотопленок: серебряный отражающий и металлический активный слой (в последствии для построения активного слоя стали применять органические покрытия).

По своему строению CD-R диск напоминает слоеный пирог, «начинка» которого состоит из активного, отражающего и защитного слоев, которые последовательно наносятся на основу из поликарбоната — пластиковый кружок с отверстием для фиксации на шпинделе читающего привода. При этом основа CD-R диска ничем не отличается от той, что применяется в технологии изготовления компакт-дисков литьем: характеристики пластмассы должны быть таковы, чтобы луч лазера, проходящий сквозь нее, должным образом фокусировался и не вызывал разрушения диска.

Рис. 10.2. Структура CD-R диска

Активный (или регистрирующий) слой – слой, на котором, собственно, и происходит запись информации, т.е. именно он подвергается воздействию лазерным лучом, который «прожигает» (burn) питы (pits), кодирующие информацию (логические нули и единицы). Иными словами, во время записи активный слой под воздействием лазерного луча меняет свою структуру, а последующая необратимость изменения активного слоя – суть есть надежность хранения информации. Одним из типов активных слоев, широко использующимся на сегодняшний день, является цианин (cyanine). Цианин является изначальным типом на который ссылается стандарт Orange Book и широко используется уже более 10 лет.

Фталоцианин (phtalocyanine) используется почти так же долго, как и цианин, и является его производной. Изначально он был применен для изготовления активного слоя при выпуске CD-R дисков Mitsui, но в последствии корпорация Kodak приобрела лицензию на его производство и стала использовать эту технологию для изготовления собственных дисков. Диски на основе фталоцианина менее чувствительны к воздействию света после записи, что способствует увеличению срока хранения информации. Над активным слоем CD-R диска находится светоотражающий слой, который во многом определяет совместимость диска с читающими устройствами. Светоотражающий слой — тончайшая пластинка из золота или серебра. Вернее, изначально в виде материала для отражающего слоя использовалось только промышленное золото, однако в последствии оно было вытеснено серебром, которое не только значительно дешевле, но и обладает большим коэффициентом светоотражения. Таким образом, после замены золота на серебро CD-R диски значительно подешевели, а их качество не только не пострадало, но даже улучшилось. Правда в некоторых случаях, когда к дискам предъявляются специальные требования (например, время хранения информации медицинских архивов), все же применяются «золотые» диски.

Защитный слой – слой, наносимый поверх светоотражающего, – служит для механической защиты CD-R диска и нанесения на него этикетки (label). Тут тоже возможны варианты: в простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Это мало надежно не только с точки зрения механики (лак довольно легко обдирается), но и с точки зрения химии: надпись, сделанная на диске активным маркером, может привести к потере информации из-за проникновения чернил сквозь тонкий слой лака – начнется пагубная для диска химическая реакция. Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность.

Традиционная наука занималась нанообъектами задолго до того как они получили свое определение. Например, фотография и катализ являются примерами явлений, основой которых являются нанопроцессы. Нанотехнологии широко применялись при получении резины на основе каучука с добавлением неорганической глины. В настоящее время под нанотехнологиями понимают процессы получения материалов с новыми свойствами путем использования наночастиц и их способности к участию в химических связях особого типа.

Для обозначения наноструктур используются такие термины как наночастица или кластер. Наночастица – это частица размеры которой рвны 10 ^-9 м. Кластер представляет собой структуру из переменного числа атомов или молекул. Выявление особенностей влияния размеров частиц и количества атомов в них на физико-химические свойства и реакционную способность представляет одну из фундаментальных проблем современной химии, в рамках которой в конце XX века возникает нанохимия.

Нанообъекты окружают нас в реальной жизни, поскольку в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне природа формирует основные характеристики веществ и явлений.

Нанотехнология, используя природные законы, дает возможность получать уже известные вещества, но и создавать новые, неизвестные ранее. По существу нанотехнология является наукой, которая занимается конструированием новых материалов.

Наночастицы занимают промежуточное положение между молекулами и объектами микронных размеров. Как и молекулы наночастицы проявляют квантовые эффекты и одновременно обладают свойствами не характерными даже для микрообъектов. Наночастицы подчиняются законам кватовой химии и физики.

Выявление особенностей влияния размеров частиц на физико-химические свойства и реакционную способность представляет собой значимую фундаментальную проблему современной химии. Развитие новых методов исследования позволило получить информацию о частицах различных химических элементов Периодической системы. Выявленные в настоящее время закономерности позволяют говорить о наличии нанопараметра (т.е. числа атомов в кластере), который можно рассматривать как границу проявления наномасштабности. Необходимо отметить, что поведение наночастиц во многом определяется средой, в которой они диспергированы.

Среди наночастиц, состоящих из определенного числа атомов, существуют частицы наиболее стабильные. Для них характерны так называемые магические числа, совокупность которых выражается формулой 2n² . Эти цифры определяют число атомов в кластерах щелочных металлов. Существует и другой ряд магических чисел для полупроводников. Их наличие связано с главным квантовым числом n.

Интересным нанообъектом является квантовая точка – это структура с трехмерным квантовым ограничением, которую можно получить из тонкой пленки в процессе вырезания электронным пучком. Такие точки называют искусственными атомами, поскольку они обладают дискретным энергетическим спектром подобно атомам.

Управляя размерами и формами наноструктур, можно получить материалы с разными свойствами, резко отличающимися от обычных веществ. Учитывая огромные масштабы информации в настоящее время ведется поиск материалов для записи и хранения информации. Химические методы такие как, реакции осаждения, восстановления, термического разложения, лежат в основе химического синтеза новых материалов.