На крупных промышленных производствах, где требуется обработка и резка металлов, часто применяется мощное лазерное излучение, опасное для здоровья людей. Для создания защитной аппаратуры необходимы материалы, поглощающие лазерные лучи. Учёные разработали модель, предсказывающую, насколько эффективно краситель способен поглощать лазерное излучение. Созданный алгоритм послужит основой для поиска поглотителей, необходимых для защиты глаз от опасного воздействия лазеров.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
Лазерное излучение, использующееся для резки металлов и обработки материалов, — довольно мощный источник световой энергии, который может повредить глаза человека. Чтобы этого не случилось, используют светофильтры — материалы, способные защитить сетчатку глаза людей, работающих, например, с лазерным сварочным аппаратом. Однако обычные светофильтры оказываются неэффективными, если необходимо «затушить» очень короткие, длящиеся всего миллиардные доли секунды, но очень мощные лазерные импульсы, генерируемые большинством оптических квантовых генераторов. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, выявлены лишь примитивные закономерности поглотительной способности материалов, которые помогают только незначительно оптимизировать конструкцию защитных оптических устройств.
Специалисты Института физиологически активных веществ ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) вместе с коллегами разработали методику, позволяющую прогнозировать способность вещества поглощать лазерное излучение на основе квантово-химических расчётов. Исследователи проанализировали ряд фталоцианинов — органических соединений, образующих комплексы с металлами (цинком, медью, никелем, кобальтом и магнием), которые традиционно используют в качестве пигментов и красителей. Авторы выбрали эти соединения из-за их способности эффективно поглощать видимый свет и предположили, что такие вещества смогут поглотить и мощное лазерное излучение.
Исследователи облучали красители короткими импульсами зелёного лазера и измеряли, какое количество света проходило через оптический слой веществ. Таким образом авторы изучили оптическое ограничение — то есть поглотительную способность — этих соединений. Эксперимент показал, что вещества ослабляли лазерные импульсы в 10-20 раз. При этом максимальный эффект наблюдался у фталоцианинового комплекса, содержащего ион цинка.
Затем исследователи попытались определить взаимосвязь между электронной структурой красителей и их поглотительной способностью. Авторы предположили, что такая закономерность позволит предсказывать оптические характеристики фталоцианинов на основе их молекулярных свойств. Так, исследователи оценили электрически индуцированное поглощение каждого фталоцианина, а также установили, как электрические заряды распределяются в молекулах.
Затем авторы использовали собственный алгоритм CORRELATO, который протестировали в предыдущих своих работах, чтобы рассортировать фталоцианины по принципу «плохой-хороший» в зависимости от их способности поглощать лазерный луч. С помощью новой модели учёным будет достаточно выбрать необходимый уровень ослабления излучения, толщину защитного покрытия, а нейронная сеть сама подберёт набор потенциальных красителей.
«Разработка эффективной защиты от поражения лазерным излучением — очень сложная и до сих пор не решённая проблема из-за отсутствия прогностических моделей. Новая модель на основе комплекса математических алгоритмов в будущем откроет широкие возможности для создания оптических ограничителей высокоинтенсивного света на основе фталоцианинов и их аналогов. Выведенные математические выражения, связывающие теоретические и экспериментальные данные, в дальнейшем послужат основой для поиска соединений, которые будут удовлетворять конструкторским требованиям отечественных наукоемких производств», — рассказывает руководитель проекта Александр Толбин, доктор химических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник Института физиологически активных веществ ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН.
В работе также приняли участие исследователи из Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Зеленоград) и Первого МГМУ имени И.М. Сеченова (Москва).