Дихроизм и дихроичные материалы¶
Дихроизм (от греч. δίχρους — «двухцветный») — оптическое явление, при котором вещество или среда по-разному поглощает свет в зависимости от направления его распространения и поляризации. Материал, обладающий таким свойством, называется дихроичным. Дихроизм представляет собой частный случай более общего явления плеохроизма — изменения окраски кристалла при наблюдении под разными углами. Термин применяется в кристаллооптике, минералогии, поляризационной микроскопии и оптической технике.
¶Физическая природа
В основе дихроизма лежит анизотропия оптических свойств среды. В кристаллах с некубической симметрией показатель преломления и коэффициент поглощения зависят от направления вектора напряжённости электрического поля световой волны относительно кристаллографических осей.
Если свет линейно поляризован, его можно разложить на две компоненты с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. В дихроичном материале эти компоненты поглощаются с разной интенсивностью. В результате прошедший свет приобретает окраску, зависящую от исходной поляризации, а при наблюдении белого неполяризованного света через такой кристалл разные направления оказываются окрашенными по-разному.
Различают:
- Линейный дихроизм — различие поглощения для двух ортогональных линейных поляризаций.
- Круговой дихроизм — различие поглощения для право- и леволевоциркулярно поляризованного света; наблюдается в оптически активных средах, в том числе в растворах биомолекул.
Количественно дихроизм описывают через коэффициенты поглощения для двух поляризаций; их разность называют дихроичным поглощением.
¶История изучения
Явление двойного лучепреломления в исландском шпате описал ещё Эразм Бартолин в 1669 году, а Христиан Гюйгенс в 1690 году дал ему волновое объяснение. Различие в окраске кристаллов по разным направлениям отмечали минералоги XVIII–XIX веков. Термин «плеохроизм» ввёл в употребление в начале XIX века; дихроизм как его частный случай стали выделять при изучении турмалина, кордиерита и других минералов.
Существенный вклад в теорию внёс Этьен Луи Малюс, открывший поляризацию света при отражении (1808). В XX веке дихроизм нашёл практическое применение после создания поляроидов, а круговой дихроизм стал рабочим методом структурной биохимии.
¶Дихроичные материалы
Классические примеры природных дихроичных кристаллов:
| Минерал | Наблюдаемый эффект |
|---|---|
| Турмалин | Сильная зависимость окраски от направления |
| Кордиерит | Жёлто-фиолетовая смена тонов |
| Берилл (аквамарин) | Слабо выраженный плеохроизм |
| Кальцит | Двойное лучепреломление без сильного дихроизма |
Среди синтетических материалов важнейшее значение имеют поляроиды — плёнки из поливинилового спирта, окрашенные йодом или органическими красителями и растянутые в одном направлении. Ориентированные молекулы красителя поглощают свет одной поляризации и пропускают другую. Такие плёнки дешевы и широко применяются в поляризационных фильтрах.
Дихроичные стёкла и покрытия получают, вводя в матрицу ориентированные наночастицы металлов (например, серебра или золота). Плазмонный резонанс таких частиц придаёт материалу выраженную поляризационную зависимость поглощения.
¶Применение
- Поляризационные фильтры — в фотографии, очках, дисплеях, для устранения бликов и управления светом.
- Поляризационная микроскопия — определение оптических осей и идентификация минералов по плеохроизму.
- Круговой дихроизм — метод исследования вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот в растворе.
- Оптические модуляторы и изоляторы — управление поляризацией в лазерной технике и волоконной оптике.
- Астрофизика — анализ поляризации излучения звёзд и межзвёздной среды.
¶Круговой дихроизм в биохимии
Спектроскопия кругового дихроизма (КД) основана на различии поглощения лево- и правополяризованного света хиральными молекулами. Белковые хромофоры — пептидные связи, ароматические аминокислоты — дают характерные спектры в дальнем ультрафиолете (190–250 нм). По форме спектра судят о доле α-спиралей, β-структур и неупорядоченных участков. Метод не требует кристаллизации образца и позволяет следить за изменением конформации белка при изменении температуры, pH или добавлении лигандов.
¶Значение
Дихроизм связывает фундаментальные свойства анизотропных сред с прикладными задачами управления светом. Он лежит в основе массовой поляризационной оптики, служит инструментом минералогической диагностики и одним из ключевых методов структурной биологии. Дальнейшее развитие связано с созданием метаматериалов и наноструктурированных покрытий с управляемым дихроичным откликом.
Источники: учебники по общей и кристаллооптике, справочники по минералогии, руководства по спектроскопии кругового дихроизма, обзорные статьи по поляризационной оптике.