Ράβδος χημικού φωτός

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
1. Εύκαμπτο πλαστικό περίβλημα το οποίο καλύπτει το εσωτερικό υγρό.
2. Γυάλινη κάψουλα η οποία περιέχει υπεροξείδιο του υδρογόνου.
3. Διάλυμα χρωστικής ουσίας και διφαινυλοξαλικού εστέρα.
4. Αντίδραση μεταξύ των περιεχομένων της κάψουλας και της εξωτερικής ράβδου.
5. Αφότου σπάσει η γυάλινη κάψουλα και οι ουσίες αναμειχθούν, η ράβδος λάμπει σε όλο το μήκος της.

Η ράβδος χημικού φωτός είναι μια αυτόνομη πηγή φωτός μικρής διάρκειας. Κάθε ράβδος αποτελείται από έναν εύθραυστο εσωτερικό σωλήνα, και έναν ελαστικό εξωτερικό, οι οποίοι περιέχουν κατάλληλα χημικά. Με την ανάμειξη των περιεχομένων τους εκλύεται ακτινοβολία στο ορατό φάσμα, μέσω της χημειοφωταύγειας, με αποτέλεσμα η λειτουργεία τους να μην απαιτεί εξωτερική πηγή ενέργειας. Κάθε ράβδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μια φορά, και το φως δεν μπορεί να σβήσει, μέχρις ότου παρέλθει ο - ορισμένος απ' τον κατασκευαστή - χρόνος λειτουργίας. Οι συγκεκριμένες ράβδοι χρησιμοποιούνται τόσο για ψυχαγωγικούς σκοπούς, όσο και για επιχειρησιακούς, από δυνάμεις ασφαλείας και ομάδες έκτακτων ιατρικών περιστατικών ανά την υφήλιο[1].

Ιστορικά στοιχεία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ανάπτυξη της ράβδου χημικού φωτός συντελέστηκε από μια σειρά εφευρετών, με πρώτους τους Bernard Dubrow και Eugene Guth, οι οποίοι κατοχύρωσαν ένα χημειοφωταυγές υλικό, τον Ιούλιο του 1965.[2]

Το 1971 οι Michael Rauhut και Laszlo Bollyky, εργαζόμενοι της American Cyanamid, βασιζόμενοι στην έρευνα του Edwin Chandross, ανέπτυξαν τον δις-2,4,5-τριχλωροφενυλό-6-καρβοπεντοξυφενιλοοξαλικό εστέρα, ο οποίος μετέπειτα έλαβε το εμπορικό σήμα "Cyalume"[3][4]. Την ίδια εποχή, εκπονήθηκε μια ακόμη εργασία αναφορικά με την χημειοφωταύγεια από ερευνητές της αμερικανικής ναυτικής βάσης ανάπτυξης οπλικών συστημάτων "China Lake"[5]. Τον Οκτώβριο του 1973 οι Clarence Gilliam, David Iba Sr. και Thomas Hall, καταχωρήθηκαν ως οι εφευρέτες μιας ακόμη συσκευής χημειοφωταύγειας[6]. Όμοια και οι Herbet P. Richter και Ruth E. Tedrick, τον Ιούλιο του 1974[7].

Τον Ιανουάριο του 1967 οι Vincent J. Esposito, Steven M. Little και John H. Lyons έλαβαν δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια συσκευή εκπομπής φωτός μέσω χημειοφωταύγειας[8]. Η συσκευή αποτελούταν από μια εύθραυστη γυάλινη αμπούλα, η οποία περιείχε κατάλληλο χημικό, και έπλεε εντός μιας δεύτερης ουσίας, με την οποία αντιδρούσε όταν έρχονταν σε επαφή, παράγοντας ορατό χημειοφωταυγές φως. Το σχέδιο περιλάμβανε και μια βάση για την συσκευή, η οποία, μετά την ρίψη από κινούμενο όχημα, θα της επέτρεπε να σταθεί σε οριζόντια θέση στο οδόστρωμα. Με τον τρόπο αυτό, οι εφευρέτες προσπάθησαν να αναπτύξουν ένα αντικείμενο το οποίο θα αντικαθιστούσε τις φωτοβολίδες έκτακτης ανάγκης, εκμηδενίζοντας τον κίνδυνο πυρκαγιάς, περιορίζοντας την ζημιά κατά την ενδεχόμενη παράσυρση τους από διερχόμενο όχημα και δίνοντας την δυνατότητα ευκολότερης και ασφαλέστερης τοποθέτησης στο οδόστρωμα. Η συγκεκριμένη συσκευή προσέγγιζε σημαντικά την μορφή και την λειτουργία μιας συνηθισμένης, σύγχρονης, ράβδου χημικού φωτός[9].

Τον Δεκέμβριο του 1977, ο Richard Taylor Van Zandt ανέπτυξε μια ακόμη συσκευή, επανασχεδιάζοντας τον μηχανισμό ενεργοποίησης. Η ράβδος του Van Zandt ενεργοποιούταν μετά την θραύση της γυάλινης κάψουλας από χαλύβδινο σφαιρίδιο, το οποίο προσέκρουε σε αυτή με κατάλληλη ταχύτητα[10].

Μηχανισμός λειτουργίας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι ράβδοι χημικού φωτός εκπέμπουν ορατό φως όταν δυο χημικά αντιδρούν μεταξύ τους. Η αντίδραση τους καταλύεται από μια βάση, η οποία συνήθως είναι το σαλικυλικό νάτριο[11]. Εκτός από τον καταλύτη και τα δύο χημικά, περιέχεται επίσης και ουσία η οποία προσδίδει το χαρακτηριστικό χρώμα της εκάστοτε ράβδου. Κάθε συσκευή αποτελείται από μια ελαστική εξωτερική ράβδο και από μια εύθραυστη εσωτερική κάψουλα, κάθε μια από τις οποίες περιέχουν κατάλληλα χημικά. Ο χρήστης καλείται να λυγίσει την εξωτερική ράβδο, έτσι ώστε η κάψουλα να σπάσει και οι δύο ουσίες να αντιδράσουν προς εκπομπή ορατού φωτός. Μετά την θραύση, η συσκευή ανακινείται για να αναμειχθούν τα συστατικά.

Αντιδράσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αντίδραση μεταξύ υπεροξειδίου του υδρογόνου και διφαινυλικοξαλικού εστέρα (πάνω), διάσπαση υπεροξυοξυεστέρα (μέση), αποδιέγερση χρωστικής (κάτω).

Στο εσωτερικό του ελαστικού σωλήνα βρίσκεται ένα μείγμα χρωστικής, βασικού καταλύτη και διφαινυλοξαλικού εστέρα. Η εύθραυστη κάψουλα περιέχει υπεροξείδιο του υδρογόνου. Κατά την θραύση της, πραγματοποιείται μια εξώεργη αντίδραση μεταξύ του διφενυλοξαλικού εστέρα και του υπεροξειδίου του υδρογόνου, αποδίδοντας δύο γραμμομόρια (moles) φαινόλης και ένα γραμμομόριο υπεροξυοξυεστέρα. Ο υπεροξυοξυεστέρας διασπάται άμεσα σε διοξείδιο του άνθρακα, εκλύοντας ποσό ενέργειας το οποίο διεγείρει την χρωστική. Κατά την αποδιέγερση, εκπέμπεται φωτόνιο, το μήκος κύματος του οποίου εξαρτάται από την στερεοδιάταξη της χρωστικής. Από το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτονίου, εξαρτάται και το χρώμα του φωτός της ράβδου[12]. Εκτός από φως, η αντίδραση εκλύει και θερμική ενέργεια σε ιδιαίτερα μικρή ποσότητα[13].

Παράγοντες που επηρεάζουν την λειτουργία της ράβδου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Συγκεντρώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μεταβάλλοντας τις συγκεντρώσεις των δύο αντιδρώντων και του καταλύτη, οι κατασκευαστές δύνανται να δημιουργήσουν ράβδους οι οποίες είτε λάμπουν έντονα για μικρό χρονικό διάστημα, είτε λάμπουν αμυδρά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Επιπλέον, μέσω της μεταβολής των συγκεντρώσεων μπορούν να δημιουργηθούν χημικές ράβδοι οι οποίες λειτουργούν ιδανικά σε ιδιαίτερες συνθήκες θερμοκρασίας. Στις μέγιστες δυνατές συγκεντρώσεις - οι οποίες επιτυγχάνονται κυρίως σε εργαστηριακές συνθήκες - η ανάμιξη των αντιδρώντων οδηγεί στην έκλυση ιδιαίτερα μεγάλης ποσότητας φωτός για λίγα δευτερόλεπτα. Παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει και κατά την προσθήκη μεγάλης ποσότητας καταλύτη.

Θερμοκρασία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ταχύτητα της αντίδρασης επηρεάζεται από την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η τοποθέτηση μιας ράβδου εντός ψυχρού περιβάλλοντος θα έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της ταχύτητας αντίδρασης, εκλύοντας ορατό φως σημαντικά μικρότερης φωτεινότητας για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αντίστοιχα, η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης, άρα και την φωτεινότητα του εκπεμπόμενου φωτός για μικρότερο χρονικό διάστημα[14].

Χρωματισμός[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Διαγραμματική απεικόνιση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από μια λευκή χημική ράβδο. Οι τέσσερις κορυφές υποδηλώνουν την ύπαρξη τεσσάρων φθοριζουσών χρωστικών. Κατακόρυφος άξονας: Σχετική ακτινοβολία. Οριζόντιος άξονας: μήκος κύματος (nm).

Οι ράβδοι χημικού φωτός ποικίλουν σε χρωματισμούς, ανάλογα με την φθορίζουσα χρωστική η οποία έχει τοποθετηθεί στο διάλυμα του διφαινυλοξαλικού εστέρα. Ενίοτε, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός δύο φθοριζουσών ουσιών• μια στο εσωτερικό υγρό του πλαστικού σωλήνα, και η άλλη ενσωματωμένη στα τοιχώματα του. Το φάσμα εκπομπής της πρώτης, και το φάσμα απορρόφησης της δεύτερης πρέπει να αλληλεπικαλύπτονται σε μεγάλο βαθμό, και η πρώτη φθορίζουσα πρέπει να εκπέμπει σε μικρότερο μήκος κύματος από τη δεύτερη. Μικρές μετατροπές στο μήκος κύματος, μέχρι και 200 nm, είναι δυνατές, έτσι ώστε να μετατραπεί το υπεριώδες φως σε ορατό, το ορατό σε υπέρυθρο, ή ακόμη να αλλάξει το μήκος κύματος εντός του ορατού φάσματος (π.χ. από πράσινο σε πορτοκαλί)[15].

Οι ράβδοι οι οποίες χρησιμοποιούν τον ανωτέρω μηχανισμό έχουν έγχρωμο πλαστικό περίβλημα λόγω της ενσωματωμένης χρωστικής. Πέραν του ορατού φάσματος, οι συσκευές χημειοφωταύγειας οι οποίες εκπέμπουν στην περιοχή των υπερθύρων είναι μαύρου χρώματος, καθώς οι περιεχόμενες χρωστικές απορροφούν το ορατό φως το οποίο παράγεται, και εκπέμπουν υπέρυθρες.

Ένα ευρύ φάσμα χρωματισμών μπορεί να επιτευχθεί και με τον συνδυασμό διαφορετικών φθοριζουσών χρωστικών, σύμφωνα με τις αρχές που διέπουν την ανάμειξη χρωμάτων. Επί παραδείγματι, για τις ράβδους πορτοκαλί χρώματος χρησιμοποιείται κόκκινη, κίτρινη και πράσινη χρωστική, ενώ για την εκπομπή λευκού φωτός απαιτείται μια σειρά χρωστικών[11].

Χρήσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Βραχιόλι χημικού φωτός το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως σε ψυχαγωγικά δρώμενα.

Οι ράβδοι χημικού φωτός είναι αδιάβροχες, ανθεκτικές υπό υψηλές πιέσεις, εκλύουν ελάχιστο ποσό θερμότητας και δεν απαιτούν εξωτερική πηγή ενέργειας. Αυτές τους οι ιδιότητες τις καθιστούν ιδανικές για χρήση από δυνάμεις ασφαλείας, κατασκηνωτές, οδηγούς σε έκτακτη ανάγκη και δύτες[16][17]. Αποτελούν σημαντικό κομμάτι του στρατιωτικού εξοπλισμού, με ευρεία γκάμα χρήσεων, όπως περιπτώσεις κινδύνου, σήμανση περιοχής προσγείωσης αλεξιπτωτιστή και σήμανση στόχου[18].

Στο πλαίσιο της ψυχαγωγίας, οι ράβδοι χρησιμοποιούνται σε σειρά εκδηλώσεων, μεταξύ των οποίων νυχτερινές συναυλίες, φεστιβάλ και χορευτικά δρώμενα[19].

Οι συσκευές χημειοφωταύγειας και τα χημικά τα οποία περιέχουν εμφανίζονται και στον χώρο της τέχνης. Χαρακτηριστικά, χρησιμοποιούνται στην φωτογραφία και στη βιντεογραφία, προς δημιουργία ειδικών εφέ σε χαμηλό φωτισμό, αλλά και στη ζωγραφική[20][21].

Ενίοτε, μπορούν να αποτελέσουν μέσο της εκπαιδευτικής διαδικασίας για το μάθημα της χημείας, έτσι ώστε οι μαθητές να κατανοήσουν την έννοια της ταχύτητας αντίδρασης και να μελετήσουν τις ιδιότητες φθορισμού των υγρών χημικών[22].

Ασφάλεια[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι ουσίες οι οποίες περιέχονται στις ράβδους χημικού φωτός χαρακτηρίζονται από ελάχιστη τοξικότητα. Η ενδεχόμενη κατάποση τους, ή η επαφή με το δέρμα, μπορεί να οδηγήσει σε τοπικό ερεθισμό και ερυθρότητα. Ειδικότερα στις περιπτώσεις όπου οι ουσίες καταποθούν ή έρθουν σε επαφή με τους οφθαλμούς, πιθανά συμπτώματα είναι ο έμετος και το χημικό έγκαυμα αντίστοιχα[23].

Οι μη φθορίζουσες χρωστικές οι οποίες χρησιμοποιούνται ανήκουν στους κυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, οι οποίοι δύνανται να οδηγήσουν σε καρκινογενέσεις, όπως επίσης και ορισμένα χημικά τα οποία δεν επιλέγονται πια για την δημιουργία συσκευών χημειοφωταύγειας[24]. Επίσης, το φθαλικό διβουτύλιο, ένα συστατικό το οποίο ενίοτε χρησιμοποιείται στις ράβδους χημικού φωτός, έχει κατηγοριοποιηθεί ως πιθανό υπαίτιο για τερατογενέσεις, παρότι δεν υπάρχουν ισχυρά ερευνητικά δεδομένα για αυτή του την ιδιότητα[25]. Ωστόσο, σύμφωνα με τους κανονισμούς της Ευρωπαϊκής Ένωσης, οι χημικές ράβδοι οι οποίες πωλούνται στο κοινό δεν πρέπει να περιέχουν τις ουσίες αυτές σε επικίνδυνες για την υγεία συγκεντρώσεις, οι οποίες και θα κατηγοριοποιούσαν το προϊόν ως καρκινογόνο, μεταλαξιογόνο ή τοξικό για την αναπαραγωγική ικανότητα[26].

Το μείγμα των χημικών ουσιών το οποίο περιέχεται σε κάθε συσκευή έχει την ιδιότητα να αλλοιώνει τις επιφάνειες των πλαστικών με τα οποία θα έρθει σε επαφή, δρώντας ως πλαστικοποιητής[27].

Εντούτοις, εάν η ράβδος χρησιμοποιηθεί με τον ενδεδειγμένο τρόπο και το χημικό περιεχόμενο της δεν εξέλθει του περιβλήματος, δεν υπάρχει κανένας κίνδυνος για τον χρήστη ή το περιβάλλον του.

Ρεκόρ Γκίνες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σύμφωνα με το βιβλίο Γκίνες, η μεγαλύτερη σε μήκος ράβδος χημικού φωτός στον κόσμο κατασκευάστηκε από το τμήμα χημείας του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Whitewaters, και είχε μήκος 152,5 μέτρα. Η ενεργοποίηση της συγκεκριμένης συνέβη στις 9 Σεπτεμβρίου του 2018, και χρειάστηκαν εκατό εθελοντές[28].

Κατά το ίδιο βιβλίο, η μακρύτερη αλυσίδα κατασκευασμένη από ράβδους χημικού φωτός δημιουργήθηκε την 21η Μαρτίου 2017 στην Κολωνία της Γερμανίας, και είχε μήκος 6491,91 μέτρα[29]. Επίσης, στις 24 Νοεμβρίου 2018, στην Μπογκοτά της Κολομβίας, 4394 συγκεντρωμένοι άνθρωποι ενεργοποίησαν ταυτόχρονα από μια ράβδο, κατακτώντας μια θέση στα ρεκόρ Γκίνες[30].

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Ochiai, Eiichiro (17 Ιουνίου 2011). Chemicals for Life and Living. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-20273-5. 
  2. Dubrow, Bernard; Guth, Eugene Daniel (November 20, 1973), United States Patent: 3774022 - PACKAGED CHEMILUMINESCENT MATERIAL, http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=/netahtml/PTO/srchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=3774022.PN.&OS=PN/3774022&RS=PN/3774022, ανακτήθηκε στις 2020-07-10 
  3. Rauhut, Michael M. (1969-03-01). «Chemiluminescence from concerted peroxide decomposition reactions». Accounts of Chemical Research 2 (3): 80–87. doi:10.1021/ar50015a003. ISSN 0001-4842. https://doi.org/10.1021/ar50015a003. 
  4. «What's that stuff? LIGHT STICKS». 
  5. Editor, Student Life Online Team: Sam Guzik, Director of New Media; Scott Bressler, Online Initiatives Editor; David Seigle, Online Staff; Evan Wiskup, Managing. «Student Life Archives (2001-2008) » Blog Archive » The great glow stick controversy» (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 10 Ιουλίου 2020. 
  6. Gilliam, Clarence W.; Hall, Thomas N. (October 9, 1973), United States Patent: 3764796 - CHEMICAL LIGHTING DEVICE, http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&p=1&u=/netahtml/PTO/search-bool.html&r=1&f=G&l=50&co1=AND&d=PALL&s1=3764796.PN.&OS=PN/3764796&RS=PN/3764796, ανακτήθηκε στις 2020-07-10 
  7. Richter, Herbert P.; Tedrick, Ruth E. (June 25, 1974), United States Patent: 3819925 - CHEMILUMINESCENT DEVICE, http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&p=1&u=/netahtml/PTO/search-bool.html&r=1&f=G&l=50&co1=AND&d=PALL&s1=3819925.PN.&OS=PN/3819925&RS=PN/3819925, ανακτήθηκε στις 2020-07-10 
  8. Lyons, John H.; Little, Steven M.; Esposito, Vincent J. (January 20, 1976), United States Patent: 3933118 - Chemiluminescent signal device, http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=/netahtml/PTO/srchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=3,933,118.PN.&OS=PN/3,933,118&RS=PN/3,933,118, ανακτήθηκε στις 2020-07-10 
  9. «Chemiluminescent Signal Device». 
  10. Van Zandt, Richard Taylor (December 20, 1977), United States Patent: 4064428 - Chemical light device, http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=/netahtml/PTO/srchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=4064428.PN.&OS=PN/4064428&RS=PN/4064428, ανακτήθηκε στις 2020-07-10 
  11. 11,0 11,1 Kuntzleman, Thomas Scott; Rohrer, Kristen; Schultz, Emeric (2012-06-12). «The Chemistry of Lightsticks: Demonstrations To Illustrate Chemical Processes». Journal of Chemical Education 89 (7): 910–916. doi:10.1021/ed200328d. ISSN 0021-9584. https://doi.org/10.1021/ed200328d. 
  12. «Survey and health assessment of glow sticks» (PDF). 
  13. «Data. www.bnl.gov» (PDF). 
  14. [https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a430634.pdf Chemical Lightsticks as a Night Vision Goggle Compatible Lighting Technique for Aircraft Cockpits: Characteristics, Pros and Cons]. 18 Αυγούστου 1998. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a430634.pdf. 
  15. «Chemical lighting device». 
  16. «Emergency lighting for vehicles / Road safety | Cyalume» (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  17. «Rubicon Research Repository: Item 123456789/5968». web.archive.org. 19 Μαΐου 2009. Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  18. «The History Of Glow Sticks». Glowtopia (στα Αγγλικά). 20 Οκτωβρίου 2015. Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  19. «GLOW IN THE DARK PARTY». 
  20. «Make glow in the dark paint (using glow sticks)». Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  21. «Jai Glow! [PCD vs. Team Ef Em El]». 
  22. «Glow Sticks: Spectra and Color Mixing» (PDF). 
  23. «Glow Stick | Illinois Poison Center». www.illinoispoisoncenter.org. Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  24. «SCAFO Online Articles». www.scafo.org. Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  25. PubChem. «Dibutyl phthalate». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  26. «Survey and health assessment of glow sticks» (PDF). 
  27. «Everything there is to know about glowsticks...». www.glowsticks.co.uk. Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  28. «Longest glowstick». Guinness World Records (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  29. «Longest chain of glowsticks». Guinness World Records (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020. 
  30. «Most people lighting a glow stick simultaneously». Guinness World Records (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Ιουλίου 2020.