Светящаяся палочка , также известная как световая палочка , химический свет , световая палочка , световой стержень и рейв-свет , представляет собой автономный кратковременный источник света. Он состоит из полупрозрачной пластиковой трубки, содержащей изолированные вещества, которые при соединении создают свет посредством хемилюминесценции . Свет нельзя выключить, и его можно использовать только один раз. Использованная трубка затем выбрасывается. Светящиеся палочки часто используются для отдыха, например, для мероприятий, кемпинга, исследований на открытом воздухе и концертов. Светящиеся палочки также используются для освещения в военных и аварийно-спасательных службах . Промышленное применение включает морскую, транспортную и горнодобывающую отрасли.
Бис(2,4,5-трихлор-6-(пентилоксикарбонил)фенил)оксалат , торговая марка «Cyalume», была изобретена в 1971 году Майклом М. Раухутом [1] из American Cyanamid на основе работы Эдвина А. Чандросса и Дэвида Ибы-старшего из Bell Labs . [2] [3]
Другие ранние работы по хемилюминесценции были выполнены в то же время исследователями под руководством Герберта Рихтера в Центре военно-морского оружия Чайна-Лейк . [4] [5]
Несколько патентов США на устройства типа светящихся палочек были выданы в 1973–74 годах. [6] [7] [8] Более поздний патент 1976 года [9] рекомендовал одну стеклянную ампулу, подвешенную во втором веществе, которое при разбивании и смешивании дает хемилюминесцентный свет. Конструкция также включала подставку для сигнального устройства, чтобы его можно было выбросить из движущегося автомобиля и оставить стоять в вертикальном положении на дороге. Идея заключалась в том, что это заменит традиционные аварийные придорожные факелы и будет превосходным, поскольку не будет представлять опасности возгорания, будет проще и безопаснее в использовании и не будет неэффективным при столкновении с проезжающими транспортными средствами. Эта конструкция с ее одной 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 начале 1980-х годов большинство светящихся палочек производилось в Новато, Калифорния, компанией Omniglow Corp. В 1994 году Omniglow завершила выкуп подразделения American Cyanamid по производству химических ламп и стала ведущим поставщиком светящихся палочек по всему миру, пока не вышла из бизнеса в 2014 году. Большинство светящихся палочек, которые можно увидеть сегодня, теперь производятся в Китае. [10]
Светящиеся палочки водонепроницаемы, не используют батарейки, не потребляют кислород, не генерируют или выделяют незначительное количество тепла, не производят ни искр, ни пламени, могут выдерживать высокое давление, например, под водой, недороги и являются разумно одноразовыми. Это делает их идеальными источниками света и световыми маркерами для военных, туристов , спелеологов и любителей дайвинга . [11]
Glowsticking — это использование светящихся палочек в танцах [12] (например, в glow poi и wotagei ). Их часто используют для развлечения на вечеринках (в частности, рейвах ), концертах и в танцевальных клубах . Их используют дирижеры духовых оркестров для вечерних выступлений; светящиеся палочки также используются на фестивалях и праздниках по всему миру. Светящиеся палочки также выполняют множество функций: игрушки, легко видимые ночные предупреждения для автомобилистов и светящиеся разметки, которые позволяют родителям следить за своими детьми. Другое применение — для световых эффектов, переносимых на воздушных шарах . Светящиеся палочки также используются для создания спецэффектов в фотографии и кино при слабом освещении. [13]
Книга рекордов Гиннесса зафиксировала, что самая большая в мире светящаяся палочка треснула на высоте 150 метров (492 фута 2 дюйма). Она была создана химическим факультетом Университета Висконсина–Уайтуотера в честь полуторавекового юбилея школы или 150-летия в Уайтуотере, штат Висконсин , и треснула 9 сентября 2018 года. [14]
Светящиеся палочки используются для отдыха на природе, часто ночью для маркировки. Аквалангисты используют светящиеся палочки, предназначенные для дайвинга, чтобы помечать себя во время ночных погружений, а затем могут выключить яркие фонари для дайвинга. Это делается для того, чтобы обеспечить видимость биолюминесцентных морских организмов, которые не видны при ярком подводном свете. Светящиеся палочки используются на рюкзаках, колышках для палаток и на куртках во время ночных походов. Часто светящиеся палочки рекомендуются в качестве дополнения к наборам для выживания .
Существуют особые промышленные применения светящихся палочек, которые часто используются в качестве источника света в ситуациях, когда электрическое освещение и светодиоды не подходят наилучшим образом. Например, в горнодобывающей промышленности светящиеся палочки требуются для экстренной эвакуации в случае утечки газа. Использование электрического источника света в этом случае может привести к непреднамеренному взрыву. Хемилюминесценция, тип света, используемый в светящихся палочках, является «холодным светом» и не использует электричество, и не вызовет возгорания утечки газа.
Светящиеся палочки также используются во всем мире в морской индустрии, часто в качестве рыболовных приманок при ярусном, любительском и коммерческом рыболовстве, а также для обеспечения безопасности персонала.
Светящиеся палочки были изначально изобретены американскими военными [15] и являются неотъемлемой частью военных операций на суше и на море, где их чаще называют химическими фонарями. Светящиеся палочки также используются в полицейских тактических подразделениях в качестве источников света во время ночных операций или ближнего боя в темных областях. Они также используются для обозначения охраняемых территорий или примечательных объектов. При ношении их можно использовать для идентификации дружественных солдат во время ночных операций. [16] Для поисково-спасательных операций светящиеся палочки часто используются во время сценариев спасения человека за бортом, чтобы создать светящийся путь обратно к последнему известному местоположению человека, который потерялся в море.
Светящиеся палочки используются полицией , пожарными и службами неотложной медицинской помощи в качестве источников света, подобно их военному применению. Часто спасатели раздают светящиеся палочки, чтобы следить за людьми ночью, у которых может не быть доступа к собственному освещению. Светящиеся палочки иногда прикрепляют к спасательным жилетам и спасательным шлюпкам на пассажирских и коммерческих судах, чтобы обеспечить видимость в ночное время.
Светящиеся палочки часто входят в состав аварийных комплектов, чтобы обеспечить базовое освещение и облегчить идентификацию в темных местах. Их можно найти в аварийных комплектах освещения в зданиях, общественном транспорте и на станциях метро .
Светящиеся палочки излучают свет при смешивании двух химикатов. Реакция между двумя химикатами катализируется основанием, обычно салицилатом натрия . [17] Палочки состоят из крошечного, хрупкого контейнера внутри гибкого внешнего контейнера. Каждый контейнер содержит разный раствор. Когда внешний контейнер сгибается, внутренний контейнер ломается, позволяя растворам объединиться, вызывая необходимую химическую реакцию. После разрушения трубку встряхивают, чтобы тщательно перемешать компоненты.
Светящаяся палочка содержит два химиката, базовый катализатор и подходящий краситель ( сенсибилизатор или флуорофор ). Это создает экзергоническую реакцию . Химикаты внутри пластиковой трубки представляют собой смесь красителя, базового катализатора и дифенилоксалата . Химикатом в стеклянном флаконе является перекись водорода. При смешивании перекиси с эфиром фенилоксалата происходит химическая реакция , в результате которой получается два моля фенола и один моль эфира пероксикислоты ( 1,2-диоксетандион ). [18] Пероксикислота спонтанно разлагается до углекислого газа , выделяя энергию, которая возбуждает краситель, который затем релаксирует, выделяя фотон . Длина волны фотона — цвет излучаемого света — зависит от структуры красителя. Реакция выделяет энергию в основном в виде света с очень небольшим выделением тепла. [17] Причина этого в том, что обратное [2 + 2] фотоциклоприсоединение 1,2-диоксетандиона является запрещенным переходом (он нарушает правила Вудворда-Хоффмана ) и не может протекать по обычному термическому механизму.
Регулируя концентрации двух химических веществ и основания, производители могут производить светящиеся палочки, которые светятся либо ярко в течение короткого периода времени, либо более тускло в течение длительного периода времени. Это также позволяет светящимся палочкам удовлетворительно работать в жарком или холодном климате, компенсируя температурную зависимость реакции. При максимальной концентрации (обычно встречающейся только в лабораторных условиях) смешивание химикатов приводит к бурной реакции, производящей большое количество света всего за несколько секунд. Того же эффекта можно добиться, добавив обильное количество салицилата натрия или других оснований. Нагревание светящейся палочки также заставляет реакцию протекать быстрее, и светящаяся палочка светится ярче в течение короткого периода. Охлаждение светящейся палочки немного замедляет реакцию и заставляет ее длиться дольше, но свет становится более тусклым. Это можно продемонстрировать, охладив или заморозив активную светящуюся палочку; когда она снова нагреется, она возобновит свечение. Красители, используемые в светящихся палочках, обычно проявляют флуоресценцию под воздействием ультрафиолетового излучения — поэтому даже отработанная светящаяся палочка может светиться под ультрафиолетовым светом .
Интенсивность света высока сразу после активации, а затем экспоненциально затухает. Выравнивание этого начального высокого выхода возможно путем охлаждения светящейся палочки перед активацией. [19]
Можно использовать комбинацию двух флуорофоров, один из которых находится в растворе, а другой встроен в стенки контейнера. Это выгодно, когда второй флуорофор будет деградировать 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 ультрафиолета в видимый диапазон, как и преобразование между видимыми длинами волн (например, из зеленого в оранжевый) или из видимого в ближний инфракрасный. Сдвиг может достигать 200 нм, но обычно диапазон примерно на 20–100 нм длиннее спектра поглощения. [20] 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 переизлучают ближний инфракрасный.
С другой стороны, различные цвета также могут быть получены путем простого смешивания нескольких флуорофоров в растворе для достижения желаемого эффекта. [17] [21] Эти различные цвета могут быть получены благодаря принципам аддитивного цвета . Например, комбинация красного, желтого и зеленого флуорофоров используется в оранжевых светящихся палочках, [17] а комбинация нескольких флуоресцентов используется в белых светящихся палочках. [21]
anthracene.svg/1280px-9,10-bis(phenylethynyl)anthracene.svg.png)
В светящихся палочках фенол вырабатывается как побочный продукт. Рекомендуется держать смесь подальше от кожи и предотвращать случайное проглатывание, если корпус светящейся палочки треснет или сломается. При попадании на кожу химикаты могут вызвать раздражение кожи, отек или, в экстремальных обстоятельствах, рвоту и тошноту. Некоторые из химикатов, используемых в старых светящихся палочках, являются канцерогенами . [24] Используемые сенсибилизаторы представляют собой полициклические ароматические углеводороды , класс соединений, известных своими канцерогенными свойствами.
Дибутилфталат , пластификатор, иногда используемый в светящихся палочках (и многих пластиках), вызвал некоторые опасения по поводу здоровья. Он был включен в список предполагаемых тератогенов Калифорнии в 2006 году. [25] Жидкость для светящихся палочек содержит ингредиенты, которые могут действовать как пластификатор, размягчая пластик, на который она попадает. [26] Дифенилоксалат может щипать и жечь глаза, раздражать и жечь кожу, а также может обжечь рот и горло при проглатывании.
Исследователи из Бразилии, обеспокоенные отходами от светящихся палочек, используемых в рыболовстве в их стране, опубликовали исследование в 2014 году на эту тему. [27] В нем измерялись вторичные реакции, которые продолжаются внутри использованных светящихся палочек, токсичность для клеток в культуре и химические реакции с ДНК in vitro. Авторы обнаружили высокую токсичность растворов светящихся палочек и доказательства их реактивности с ДНК. Они пришли к выводу, что растворы светящихся палочек «опасны и что риски для здоровья, связанные с воздействием, еще не были должным образом оценены».
Во многих светящихся палочках используется химическое вещество TCPO, или трихлорфенол, который очень токсичен при вдыхании или проглатывании, а также токсичен для органов при проглатывании или ином воздействии [28]
В отчете Министерства охраны окружающей среды Дании было проведено расследование имеющихся в продаже светящихся палочек и обнаружено, что в них содержится дибутилфталат, и сделан вывод о том, что это является нарушением закона. [29] Из отчета следует, что «это вещество нельзя использовать в игрушках или сувенирах и приколах, поскольку согласно классификации оно может нанести вред фертильности или нерожденному ребенку. Риск возникает при повторном или более длительном воздействии». В этом потребительском расследовании было отмечено, что на некоторых упаковках светящихся палочек спереди были изображены дети, а на задней стороне была предупреждающая этикетка с надписью «не подходит для детей». Это несоответствие может привести к путанице у потребителей и поднять вопросы относительно надлежащего маркетинга продукта и информирования о безопасности. [30] Продукты на Amazon могут продаваться как безопасные для детей и нетоксичные, но эти заявления не подтверждены.
Светящиеся палочки также вносят свой вклад в проблему пластиковых отходов , поскольку светящиеся палочки являются одноразовыми предметами и сделаны из пластика. Кроме того, поскольку внутренний флакон часто сделан из стекла, а химикаты внутри опасны при неправильном обращении, пластик, используемый для светящихся палочек, не подлежит восстановлению службами переработки, поэтому светящиеся палочки классифицируются как неперерабатываемые отходы.
Паспорта безопасности для отдельных компонентов формул светящихся палочек рекомендуют абсорбировать опилками или другим абсорбирующим материалом и в частности подчеркивают важность хранения отходов вдали от источников воды. Не сливайте использованную жидкость светящихся палочек в канализацию.
К 2020-м годам велась работа по созданию более безопасных светящихся палочек и альтернатив. Канадская компания Lux Bio разработала альтернативы светящимся палочкам, такие как Light Wand, которая является биоразлагаемой и работает на биолюминесценции , а не на хемилюминесценции [31] [32] , и LÜMI, которая является многоразовой и нетоксичной альтернативой, которая светится фосфоресценцией [33] и является химически и биологически инертной.
инфракрасный световой жезл.
