Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

ОТ МОЛЕКУЛ ДО ГАЛАКТИК

Опубликовал Сергей 9 января 2011 в рубрике Наука.

— такой размах обеспечивают наноструктуры — строительный материал Вселенной.

Эксперты предрекают этому материалу прямо-таки фантастическое будущее. Якобы благодаря нему, провода станут пластмассовыми, солнечные батареи — высокоэффективными, а компьютеры уменьшатся до размеров пылинки. Искореженные здания смогут восстанавливать свою форму после землетрясений или ураганов, а в космос мы будем ездить на лифте. Да и вообще, вся Вселенная, судя по некоторым данным, полна наноструктур. Правда ли все это?

МАЛЕНЬКИЕ ТРУБКИ С БОЛЬШИМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

В 60-70-х гг XX в. ученые сразу в нескольких лабораториях мира обнаружили, что углерод имеет не три формы, как мы привыкли считать, — графит, уголь и алмаз, а четыре. В некоторых условиях он может образовывать еще фуллерены или бакиболлы — шарики примерно из 60 углеродных молекул, а также нанотрубки — крошечных размеров «макаронины» все из того материала.

Японскому физику Сумио Лиидзима и его коллегам из транснациональной компании NEC в Цукубе — одним из первых удалось получить нанотрубки в лаборатории, взрывая угольную пыль в специальной камере при определенных условиях. Когда изучением нанотрубок занялись еще две исследовательские группы из Национальной угольной компании Парма (штат Огайо, США) и из Кентерберий- ского университета (Кристчерч, Новая Зеландия), неожиданно выяснилось, что изобретение не столь уж недавнее. В архивах был обнаружен патент США, который был выдан еще в 1889 г (!) двум англичанам на способ получения нанотрубок из болотного газа — метана. Они предполагали наладить из них производство «угольных волосков» для электролампочек. Но вскоре нити накаливания стали делать из вольфрама, а об изобретении англичан благополучно забыли. И это несмотря на то, что в патенте прямо указывалось, что, кроме полезных электрических свойств, «волоски» имеют и недюжинные механические способности, поскольку, будучи «изогнуты и закручены в любой форме, возвращаются к первоначальной форме, как только это возможно»

Ныне достоверно известно, что нанотрубки под микроскопом выглядят, как пчелиные соты, ячейки которых составлены из свернутых в крошечные рулончики-шланги. Оттого, как расположен «шов», зависят электрические свойства каждого «шланга». Если — вдоль, как у сигареты, то нанотрубка будет проводить электрический ток. А если углеродный рулон навит наискосок, как бумажная лента на карандаш, то получится миниатюрныи полупроводник Уже одно это приводит инженеров в восторг Но на самом деле потенциал нанотрубок гораздо выше. Они пропускают ток с меньшим сопротивлением, чем медь, а как полупроводники — не хуже кремниевых. Тепло же нанотрубки проводят лучше алмаза — самого эффективного проводника тепла. Поэтому, если покрыть микросхему оболочкой из нанотрубок, то можно упаковать миллиарды ее компонентов в крошечный объем с минимальным риском перегрева.

Механические свойства полых углеродных нитей тоже впечатляют. Нанотрубки в 50 раз прочнее стальной проволоки, но вчетверо легче На основе нановолокон уже начали создавать пуленепробиваемые жилеты, которые легче шелковых рубашек, а также бензопроводы, которые, благодаря своей высокой электропроводности, нейтрализуют статические заряды, обеспечивая пожарную безопасность.

Повсеместному распространению нанотрубок пока мешает лишь их высокая цена — один грамм стоит $750, что обусловлено высокой стоимостью производства. Ныне их получают, продувая газообразные углеводороды над раскаленным металлическим катализатором. В итоге, в большинство нанотрубок попадают сажа или частицы металла. Удалить их — проблема, решение которой резко удорожает стоимость материала.

Непросто и реализовать уникальные механические свойства полых углеродных нитей. Пока самая длинная из всех созданных нанотрубок — всего около 20 см. Согласитесь, плести из такого сырья канаты в сотни километров длиной — например для космического лифта — замучаешься... Тем не менее положение понемногу исправляется.

В 2002 г Федон Авурис с коллегами из исследовательского центра IBM имени Ватсона в Нью-Йорке изготовили дешевые нанотрубки, пропуская углеводородный газ над кристаллом карбида кремния, а не над металлическим катализатором. Они сразу получились чистыми. Удалось даже изолировать необходимые полупроводниковые нанотрубки от проводника, пропуская через них сильный импульс тока. Металл просто сгорал подобно плавкому предохранителю, оставляя полупроводниковую нанотрубку нетронутой. А группа Кайли Цзян из университета Цинхуа в Пекине создала трубку длиной 30 см. Она состоит из 3000 отрезков, каждый длиной 100 мкм. Силы сцепления между нано- трубками настолько велики, что конец одной вытягивает за собой следующую. «Так можно создать непрерывную нить длиной до 10 м», — рассчитывает Цзян.

Еще одно усовершенствование предлагают Дэвид Керрол и его коллеги из университета Кпемсона, Южная Каролина, США. Они добавили нанотрубки в полимер, широко используемый в датчиках ультразвука — по- ливинилден фторид (PVDF). В итоге получился материал, втрое более чувствительный к переменам давления, чем ранее. Кроме того, выяснилось, что добавки значительно улучшают механические свойства пьезоэлектрической пластмассы. «Химическая промышленность уже производит PVDF цистернами, необходим один маленький шаг, чтобы научиться изготовлять из этого полимера волокна», — говорит Керрол. Из таких волокон, по мнению ученого, можно ткать паруса. Они под напором ветра будут вырабатывать электричество, достаточное для обогрева и освещения судна. В будущем появится возможность создавать и гигантские пьезокристапли- ческие поверхности, способные генерировать электричество для бытовых нужд.

НАНОТРУБКИ В ЖИДКОСТИ

Петр Краль и Моше Шапиро из Исследовательского института им. Вейцмана в Реховоте (Израиль) обнаружили, что струя воды, текущая через связку нанотрубок, заставляет ее генерировать электрический ток. Сначала исследователи предложили теорию, согласно которой поток воды, текущий по нанотрубному проводнику, обязан увлекать за собой электроны в ее стенках. «В молекулах воды — так называемой полярной жидкости — некоторые атомы имеют небольшой дополнительный положительный заряд, в то время как другие атомы обладают сбалансированным по величине отрицательным зарядом, — рассуждали они. — Положительно заряженная часть молекулы жидкости, находясь около стенки нанотрубки, притягивает электроны.

И поэтому они двигаются в том же направлении, что и поток жидкости. А поскольку электроны могут двигаться только вдоль трубки, то течение полярной жидкости создает малый, но полезный электрический ток». Аджай Соуд, физик из Индийского научного института в Бангалоре, вместе со своим студентом Шанкаром Гхош и коллегами из расположенного поблизости Рамановского исследовательского института проверили эту теорию. Они прикрепили электроды к вершине и днищу пучка беспорядочно ориентированных нанотрубок, опустили всю конструкцию в стеклянную труду метровой длины и стали прокачивать воду, измеряя напряжение на пучке. Напряжение возникало и, более того, возрастало при увеличении скорости течения воды При скорости 2 мм/с напряжение составляло 2,7 млВ. Когда воду направляли в обратную сторону, то менялась и полярность генерируемого напряжения. Соуд также показал, что напряжение можно увеличить, добавив в воду соляную кислоту, за счет чего возрастет число положительно заряженных ионов. Ученый зарегистрировал патент на новую технологию производства электроэнергии и теперь собирается реализовать ее на практике. Так что, возможно, плотины с гидротурбинами вскоре уйдут в прошлое. А ток для человеческих нужд будут вырабатывать даже сточные трубы, ручейки или движущиеся корабли, к днищам которых прикреплены пучки нанотрубок.

ПОВЕЛИТЕЛИ СТИХИЙ

Наши ученые в Институте высоких давлений РАН тоже ведут исследования с фуллеренами и нанотрубками. А недавно кандидаты физико-математи- ческих наук из А.Б. Кукушкин и В.А. Ранцев-Картинов из РНЦ «Курчатовский институт» сделали и вообще невероятное открытие. Они обнаружили, что наноструктуры весьма широко распространены в природе и способны оказывать влияние на процессы весьма значительного размаха — от молекул до галактик. Началось же все с того, что ученые в рамках своей работы исследовали плазменные разряды, стараясь создать как более дол- гоживущие структуры для проведения управляемого термоядерного синтеза. И в ходе экспериментов обратили внимание вот на какой феномен.

Помимо продольных структур, определяющих форму шнура, в плазме возникают так называемые фипаменты, которые торчат из шнура в поперечном направлении, словно спицы из клубка. Попытка разобраться, из чего состоят эти «спицы» и почему себя так ведут, привела к новому открытию. Оказалось, что основу спиц составляют некие структуры, играющие в них ту же роль, что и скелет в нашем организме. Но если скелет состоит из костей, то данные структуры, скорее всего, представляют собой... нанотрубки.

А возникают они опять-таки в процессе газового разряда при попытке создать плазменный шнур. Отдельные из этих структур заслуживают особого внимания, полагают исследователи, поскольку у них аномально высокая способность испускать электроны во внешнем электрическом поле, а также большая жесткость и прочность на разрыв. Более того, совсем недавно появились данные, позволяющие судить о том, что такие структуры склонны и к самоорганизации — способны при наведении магнитных полей состыковаться взаимным притяжением в довольно жесткие конструкции.

«Долгоживучесть конденсированной среды внутри горячей плазмы — даже при температурах выше миллиона градусов — мы попытались объяснить так, — говорит один из участников работы Валентин Андреевич Ранцев-Картинов. — Филаменты, особенно направленные поперек основного тока разряда, являются как бы естественными кабелями, в которых их каркас — что-то вроде жилы, окружающая плазма — оплетка, а диэлектриком является формирующий вакуумный канал» В итоге часть электромагнитной энергии, «накачиваемой» в разрядную камеру из внешней электрической сети, распространяется вдоль каркаса в виде высокочастотных волн, «отгребающих» плазму от него, примерно так же, как прибрежная волна сносит щепки от берега.

Дальнейшие исследования показали, что подобные структуры имеют место не только в исследовательских камерах разных типов, где работают с плазмой. Плазма ведь существует и в природе. Так, плазму выбрасывает огромными языками наше светило, она составляет основу многих других звезд. А если это так, то, быть может, каркасные структуры наблюдаются и во Вселенной? Ныне исследователи собирают данные в пользу такого предположения. Ими уже получены снимки с орбитального телескопа им. Хаббла, на которых изображены, например, остатки сверхновой звезды Е0102-72 с загадочными спицеобразными структурами внутри. Это «пылающее космическое колесо» имеет размер около 40 световых лет и расположено в Малом Магеллановом Облаке на расстоянии 190 св. лет от Земли. Подобраться к этому объекту поближе, чтобы понять, есть ли какие-то аналогии в его строении, кроме чисто внешнего сходства, исследователи, конечно, пока не могут. Остается надежда, что различить тонкие структуры в космосе им позволят новые поколения астрономических приборов.

Пока аналогичные наноструктуры удалось обнаружить и поближе. Фотоснимки с сайтов Американской океанической и атмосферной администрации, а также Австралийской службы аномальной погоды показали, что структуру «космического колеса» стремятся повторить и некие структуры в океане. Оказывается, время от времени в воде ученые тоже замечают некие гигантские структуры, напоминающие гигантское «тележное колесо». Их диаметр может составлять 600 и более километров. Долгое время исследователи никак не могли понять, каким же образом они образуются. Теперь появилась, по крайней мере, рабочая гипотеза, позволяющая объяснить и этот феномен.

Известно, что в морскую воду довольно часто попадают мельчайшие частицы пыли из извергающихся вулканов. А нанотрубки в свое время были получены путем взрыва углеродной пыли. Так что не исключено, что аналогичным образом возникают нанотрубки и в природе. Когда они попадают в воду, то вскоре начинают электризоваться. Ведь морская вода очень редко покоится в идеальном штиле. Перемещение же нанотрубок приводит к возникновению электрических полей, как это убедительно показали в своих экспериментах индийский физик Аджад Сауд и его коллеги. Поля же, в свою очередь, приводят к возникновению каркасных структур, которые, постепенно разрастаясь, и образуют «тележные колеса».

Из этой гипотезы, кстати, вытекает еще одно очень важное следствие. Как известно, именно океаны очень часто служат местом возникновения гигантских тайфунов и торнадо. И здесь свою роль, по мнению российских исследователей, могут сыграть силовые каркасные структуры. Наблюдатели, например, не раз отмечали, что начальная стадия водяного смерча характеризуется появлением светящегося пятна. Затем вода в центре светящегося пятна постепенно начинает раскручиваться и может подняться вверх в виде вертикального водно-газового «шнура» высотой в несколько километров!

«В основе этого грандиозного явления опять-таки могут лежать крошечные нанотрубки, — полагает В.А. Ранцев-Картинов. — Ведь торнадо, как правило, возникают при высокой электрической активности атмосферы. И под действием атмосферного электричества некоторые из наноструктур могут «встать стоймя». Образуются крошечные нанокапилляры, верхние торцы, которых выступают из воды. Это оказывается достаточным, чтобы спровоцировать их взаимодействие с грозовым облаком, проплывающим над водой». Трубочки в сильном электростатическом поле начинают образовывать цепочки, заметно облегчающие путешествие капель воды снизу вверх — из океана к облаку.

И, в конце концов, образуется этакий вертикальный водяной столб, который может перемещать массы воды на большие расстояния, а иной раз всасывать в себя и довольно тяжелые, громоздкие предметы. А всему виной — атмосферное электричество и крошечные нанотрубочки, образующие особые структуры. Сейчас исследователи ждут реакции ученого сообщества. Конечно, их соображения многим могут поначалу показаться странными, если не сумасшедшими. Но хорошая научная теория ведь и должна быть такой.

Читайте также:

ДЕСТРАТИФИКАЦИЯ: НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ – НОВЫЙ ТЕРМИН.
Культ ЗДОРОВЬЯ ЛИЧНОСТИ
ПОЖИРАТЕЛИ ОЗОНА
Сталагмит расскажет о ледниковых периодах Земли.


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.