Степан Карпенков - Концепции современного естествознания

Нейтронография обладает очень высокой разрешающей способностью. Она основана на дифракции пучка нейтронов, формирующихся в ядерных установках, что несколько ограничивает ее применение. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения расстояния между атомами. Она применяется при определении структуры молекул сверхпроводников, живых организмов и т. п.

Туннельный микроскоп, разработанный в 80-х годах прошлого века, значительно расширяет возможности экспериментального исследования физических, химических и других свойств вещества на атомном уровне.

В последние десятилетия благодаря развитию технических средств эксперимента достигнуты значительные успехи в естествознании. К важнейшим естественно-научным достижениям относятся: высоко-температурная сверхпроводимость, химические лазеры, молекулярные пучки, атомный лазер, нанотехнология, расшифровка генома человека и др. Многие из них отмечены Нобелевскими премиями.

Высокотемпературная сверхпроводимость.В 1911 г. нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853–1926), исследуя электрические свойства металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия (4,2 K) ее электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля, т. е. ртуть переходит в сверхпроводящее состояние. С течением времени по мере синтеза новых материалов температура перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неуклонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 K, а в 1973 г. – примерно 23 K.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости, т. е. сверхпроводимости при относительно высокой температуре. Для четырехкомпонентного керамического вещества на основе оксидов меди была достигнута критическая температура 376 K. Затем последовательно через сравнительно короткие промежутки времени она увеличилась до 40, 52, 70, 92 и даже выше 100 K. В 1993 г. обнаружены сверхпроводящие свойства металлооксидного вещества при температуре около 170 K, которая достигается при охлаждении не только жидким азотом, но и более дешевым жидким ксеноном. Даже такой широко распространенный материал, как алюминий способен приобретать сверхпроводящие свойства, однако не при охлаждении, а при нагревании.

Применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различных электрических цепях и особенно при электропередаче, потери в которой в настоящее время составляют около 20 %.

Химические лазеры.Сравнительно недавно установлено, что в результате реакции атомарного водорода с молекулярным хлором образуется хлороводород и атомарный хлор. При этом излучается инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показал, что существенная часть энергии (около 40 %) обусловливается колебательным движением молекул хлороводорода. Исследования такого излучения привели к созданию первого химического лазера – устройства, преобразующего энергию реакции водорода с хлором в когерентное излучение. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Созданы десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (иодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер). Мощные химические лазеры позволяют разрабатывать специализированные технологические системы. Благодаря энергетической автономии и большой удельной энергии химические лазеры найдут применение при освоении новых технологий в космосе.

Атомный лазер.Одним из важнейших последних достижений естествознания является создание в 1997 г. атомного лазера, способного излучать не свет, а пучок атомов. Пучок атомов обладает необычным свойством – когерентностью, присущей волнам, т. е. он похож на лазерное излучение.

На первой стадии формирования когерентного атомного пучка производился захват атомов натрия магнитной ловушкой. Захваченные атомы подвергались охлаждению, при котором эквивалентные им длины волн увеличиваются. Когда температура приближается к абсолютному нулю, длины волн становятся настолько большими, что они начинают перекрываться и вся группа атомов представляет собой единое целое. Такой конденсат атомов, подчиняющийся статике Бозе – Эйнштейна, был получен в 1995 г. в Американском национальном институте стандартов и технологии университета штата Колорадо. При этом применялся метод лазерного охлаждения и удержания атомов, за разработку которого американские ученые С. Чу и У. Филипп, а также французский физик К. Коэн-Таннуджи удостоены Нобелевской премии 1997 г. в области физики. Следует отметить, что идея лазерного охлаждения атомов и принципиальная схема экспериментальной установки для его осуществления были предложены в Институте спектроскопии Российской академии наук группой ученых под руководством В. Летохова, результаты исследований которых опубликованы еще в 1986 г.

В сложной лазерной ловушке, основанной на комбинации нескольких эффектов, удалось охладить атомы гелия до 0,0002 К. С применением сильного охлаждения можно удерживать антиматерию, изучать взаимодействие атомов, производить сверхточные спектральные измерения, исследовать на молекулярном уровне свойства молекул ДНК и т. п. Полученный в лазерных ловушках конденсат является рабочей средой для атомного лазера, открывающего новое весьма перспективное направление в современном естествознании.

Молекулярные пучки.Молекулярный пучок представляет собой струю молекул при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, формирующее пучок в камере со сверхвысоким вакуумом, исключающим межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагент – соединение, вступающее в реакцию, – при сравнительно низком давлении (10-10атм) возрастает вероятность участия каждой молекулы только в одном столкновении, приводящем к реакции. Для проведения такого сложного эксперимента требуется камера со сверхвысоким вакуумом, источник молекулярных пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свободного пробега молекул. С помощью молекулярных пучков удалось определить, например, ключевые реакции при горении этилена.

Технология атомных размеров.Современная наноэлектроника основана на технологии с атомным разрешением, включающей молекулярную эпитаксию, нанолитографию и зондовую микроскопию. Молекулярная эпитаксия позволяет получить моноатомные слои вещества, толщина которых сравнима с размером атома. Разрешение электроннолучевой нанолитографии достигает 1–10 нм. Методы современной зондовой микроскопии обеспечивают наблюдение с атомным разрешением. Зондовая микроскопия основана на применении сканирующего туннельного микроскопа, разработанного физиками Гердом Биннингом (р. 1947, Германия) и Генрихом Рорером (р. 1933, Швейцария), удостоенными Нобелевской премии по физике в 1986 г. Достигаемое сегодня разрешающая способность сканирующего туннельного микроскопа не может не поражать: оно составляет сотые доли нанометра по высоте и десятые в плоскости исследуемой поверхности. Сфера приложений зондовой микроскопии значительно расширилась с разработкой атомно-силового микроскопа, позволяющего получить изображение непроводящей поверхности. Современную зондовую микроскопию применяют для определения распределения электронной плотности проводников, топографии твердых материалов, магнитной структуры ферромагнетиков, строения живой молекул ДНК и т. п. Атомные зонды, кроме того, можно использовать для перемещения отдельных атомов, локального окисления и травления, а также для исследования свойств атомных частиц. Все это вместе взятое составляет техническую базу для создания современных наноэлектронных устройств.