Do tej pory zajmowaliśmy się w tej serii analogowymi nośnikami dźwięku, czyli nośnikami umożliwiającymi zapisywanie fali dźwiękowej w postaci ciągłej, co można określić jako formę naturalną. Taki zapis jednak nie jest odporny na zakłócenia i spadek jakości wywołany różnymi czynnikami, np. osłabieniem w trakcie kopiowania. Zapis cyfrowy, w którym zamiast analogowego sygnału dźwięk ma postać ciągu liczb, jest wolny od tych wad, aczkolwiek w celu zapewnienia odpowiedniej jakości wymaga odpowiedniej „częstotliwości próbkowania” podczas przerabiania dźwięku na postać cyfrową. Fala dźwiękowa ma postać ciągłą i jakość sygnału cyfrowego, jaki z niej wygenerujemy, zależy od tego, jak często, czyli z jaką dokładnością, będziemy zapisywać sygnał (format cyfrowy jest z natury rzeczy nieciągły – albo, jak mówią matematycy, dyskretny).
Próby zapisywania dźwięku w postaci cyfrowej są związane z rozwojem technik komputerowych i datują się od końca lat 60., kiedy to w Japonii opracowano format PCM, później używany też do zapisu wideo. Popularność zyskała ta technologia w latach 80., kiedy do powszechnego użytku weszła taśma DAT (Digital Audio Tape, „cyfrowa taśma dźwiękowa”), wprowadzona przez firmę Sony. Jednak koncerny muzyczne protestowały przeciwko tym technologiom, gdyż – w przeciwieństwie do analogowych kaset i taśm magnetofonowych – umożliwiały one kopiowanie nagrań bez straty jakości. Obawiano się rozpowszechnienia piractwa, co tak czy inaczej oznaczałoby spadek zysków tych firm, ponieważ zmusiłoby do obniżenia niezwykle wygórowanych cen płyt (przy dużych nakładach koszt tłoczenia płyty winylowej wynosił w latach 70. na Zachodzie równowartość 1 lub 2 dolarów, podczas gdy standardowa cena nowej płyty zaczynała się od 20 dolarów).
Prawdziwa era dźwięku cyfrowego rozpoczęła się wraz z rozpowszechnieniem płyty CD w latach osiemdziesiątych. Później doszły do tego jeszcze płyty DVD-Audio i podobne krążki formatu Blu-ray. Technicznie przypominają one wprowadzone na rynek w latach 70. płyty LaserDisc – 12-calowe (wielkości mniej więcej longplaya) płyty przeznaczone do zapisu mieszanego: obraz był na nich zapisany analogowo, a dźwięk cyfrowo. Płyty te reklamowano jako odporne na zarysowania – reklamy pokazywały, że można na nich bezpiecznie stanąć albo nawet zgasić papierosa(!). Pamiętam z telewizji program Sonda, w którym testowano odporność zapisu na przydeptanie płyty, ale traktowanie płyt optycznych papierosem bym raczej odradzał.
A dlaczego? Mianowicie dlatego, że podstawowym materiałem płyty optycznej jest tworzywo sztuczne. Najczęściej stosuje się poliwęglany, tworzywa termoplastyczne odporne na działanie wody i bardzo wytrzymałe mechanicznie. Przekonał się o tym każdy, kto próbował złamać płytę CD lub DVD – nie jest to wcale łatwe, a na dodatek mogą powstać ostre odłamki, o które można się skaleczyć. Natomiast jako tworzywa termoplastyczne poliwęglany nie są odporne na działanie podwyższonej temperatury.
Pod względem chemicznym poliwęglany są estrami „kwasu węglowego” i zawierają w cząsteczce płaskie rdzenie węglanowe (−O−(C=O)−O−) z atomem węgla w stanie hybrydyzacji sp², które nadają cząsteczce sztywność. Najczęściej spotykany typ tych tworzyw zawiera też grupy pochodne bisfenolu A (nazwa systematyczna: 4,4′-(propano-2,2-diylo)difenol) i otrzymuje się go w reakcji bisfenolu A z fosgenem COCl₂ (nazwa preferowana IUPAC: dichlorek karbonylu). Obie te substancje są silnie szkodliwe (fosgen był nawet używany jako broń chemiczna podczas I wojny światowej), jednak w połączeniu tracą swoje toksyczne właściwości (częste zjawisko w chemii: reakcja silnie żrącego wodorotlenku sodu z bardzo mocnym kwasem chlorowodorowym daje względnie nieszkodliwy chlorek sodu).
Poliwęglany stosowane do produkcji płyt optycznych nie są jednak odporne na zarysowania. Co prawda teoretycznie rysy nie powinny mieć wpływu na możliwość odczytania zapisu, jednak im gęstsze upakowanie danych (a tym samym – pojemność dysku optycznego), tym gorzej się to sprawdza w praktyce. Dlatego mające największą pojemność płyty Blu-ray (BD) pokryte są dodatkowo tworzywem o nazwie durabis – materiałem stworzonym przez firmę TDK i mającym dodatkową zaletę polegającą na odporności na gromadzenie ładunku elektrostatycznego. Substancja ta znalazła też później zastosowanie w produkcji ekranów telewizorów i monitorów.
A jak wygląda chemia warstwy, na której zapisuje się dźwięk? To już zależy od rodzaju płyty. Istnieje obecnie kilkadziesiąt typów nośników optycznych, jednak najważniejszą klasyfikacją jest podział na płyty tylko do odczytu oraz płyty umożliwiające nagranie (zwykle jednorazowe – wobec rozpowszechnienia pendrive’ów płyty do wielokrotnego nagrywania, np. CD-RW od ang. rewritable, prawie wyszły już z użytku). Płyty tylko do odczytu wytwarza się metodą tłoczenia: rowek zawierający zapis sygnału cyfrowego wytłacza się w warstwie folii aluminiowej, która jest chroniona przezroczystymi warstwami poliwęglanu. Warstwa ta zapewnia bardzo wysoką trwałość zapisu i jest odporna nawet na powierzchniowe utleniania folii, do którego dochodzi po kilkudziesięciu latach od wytworzenia.
Z płytami zapisywalnymi sprawa jest bardziej skomplikowana. Zapis jest dokonywany za pomocą promienia lasera (podobnie jak odczyt, tylko o większej mocy). Płyty do zapisu jednorazowego zawierają warstwę z barwnika organicznego umieszczoną między podłożem a warstwą refleksyjną. Zwykle stosuje się tu ftalocyjaninowy barwnik azowy (ilustracja po lewej) lub barwnik oksonolowy (oksonol jest anionowym barwnikiem z atomami tlenu na końcach łańcucha).
Z kolei płyty do zapisu wielokrotnego mają sygnał rejestrowany na zasadzie przejścia fazowego zachodzącego w nośniku. Najczęściej jest nim AgInSbTe, stop srebra, indu, antymonu i telluru. Podczas zapisu materiał ten jest wstępnie ogrzewany promieniowaniem laserowym o małej intensywności i przeprowadzany w metastabilny stan krystaliczny. Następnie w tej fazie informacja jest zapisywana za pomocą impulsów laserowych o dużym natężeniu, powodujących lokalne stopienie się nośnika i szybkie ochłodzenie do fazy amorficznej, czyli „szkła”. Odczyt opiera się na różnicy w refleksyjności obu faz: amorficzna ma niższą, przez co jest „widziana” jako ciemniejsza.
Post pierwotnie opublikowany na facebookowej grupie „Chemia dla nauczycieli” wydawnictwa Nowa Era.
[źródła: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Audio_Tape; https://en.wikipedia.org/wiki/Compact_Disc_Digital_Audio; https://en.wikipedia.org/wiki/LaserDisc; https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_disc; https://en.wikipedia.org/wiki/Polycarbonate; https://en.wikipedia.org/wiki/Bisphenol_A; https://en.wikipedia.org/wiki/Phosgene; https://en.wikipedia.org/wiki/Durabis; „Exclusive TDK Durabis Coating Technology Makes Cartridge-Free, Ultra-Durable Blu-Ray Discs a Reality”, https://phys.org/news/2005-01-exclusive-tdk-durabis-coating-technology.html]
[źródła ilustracji: ID 17525248 | Digital Sound © Jimmyi23 | Dreamstime.com; Inpriva – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=159447821; File:BluRayDiscBack.png: Cdnomad at English Wikipediaderivative work: Georgfotoart – This file was derived from: BluRayDiscBack.png:, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=155209706; Ed (Edgar181) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52831270; Darkness3560 – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25193947; Ben Mills – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=969441; Choij – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7844936; Jynto (talk) – Own work This image was created with BIOVIA Discovery Studio Visualizer., CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15373504]