Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2012 № 07

Исследователи из университета Калифорнии в Ирвине и Калифорнийского технологического института, объединив свои усилия в одном научном центре, получили из металла материал в сотню раз легче пенопласта и даже невесомее пуха, сообщает журнал Science.

В начале 2011 года специалисты признали самым легким аэрогель, состоящий из многослойных углеродных нанотрубок. Его плотность — 4 мг/ см 3. И вот новый рекорд. Плотность вещества, которое еще не имеет названия, — всего 0,9 мг/см 3! Но главное даже не в абсолютном показателе, полагает доктор Тобиас Шедлер из исследовательского центра HRL Laboratories (США). Он и его коллеги предложили новый способ получения очень легких материалов с неожиданными свойствами.

Многие материалы с ультранизкой плотностью получаются на основе углеродных нанотрубок и металлической пены. Но это случайные структуры, пояснил Шедлер. Новая структура состоит из правильно, регулярно расположенных, пересекающихся металлических трубок микроскопических размеров.

Подыскивая наглядный пример, исследователь сравнил свое детище с… Эйфелевой башней. Высокую жесткость при относительной легкости ей обеспечила строго продуманная конструкция. «Почему бы не применить достижения архитекторов больших строений к материаловедению?» — рассуждает ученый. Он надеется, что его изобретение приведет к появлению нового подхода к созданию наноструктур, которые позволят получать материалы со свойствами, сильно отличающимися от свойств элементов периодической таблицы.

Сложность создания нового материала заключалась в том, чтобы создать решетку из взаимосвязанных пустотелых трубок, имеющих толщину стенки около 100 нанометров, — рассказал Уильям Картер, руководитель группы конструкционных материалов HRL Laboratories . Трубки соединены между собой в узлах решетки.

А сам материал изготавливается путем нанесения никель-фосфорного покрытия на аккуратно подготовленную полимерную микрорешетку. Получается ажурная, легкая, но при этом очень прочная конструкция.

При испытаниях новый материал проявил свойства, которых не ожидали даже его создатели. Будучи, по сути, металлом, он обладает особыми механическими свойствами. При надавливании на «сетку» трубки не ломаются, и конструкция, словно резиновая, возвращается к своей первоначальной форме даже после сжатия более чем на 50 %. К тому же материал способен хорошо поглощать энергию удара или вибраций.

Ученые создали новый материал по заказу Научно-исследовательского агентства Пентагона (DARPA) и подготовили несколько версий своей металлической микрорешетки. Вероятно, она найдет применение в качестве электродов аккумуляторных батарей, а также будет использована как амортизатор, защита от акустических волн и вибраций в аэрокосмической промышленности.

Структура сверхлегкого материала под микроскопом.

Классическая механика описывает движение больших объектов, таких как планеты, звезды и галактики. Но для описания поведения таких микроскопических объектов, как атомы и субатомные частицы, требуются совершенно иные законы — законы квантовой механики.

Это очевидно. Однако что может произойти, если атом искусственно сделать достаточно большим для того, чтобы его электроны вели себя аналогично планетам, вращающимся на орбите вокруг Солнца. Ученые-физики провели эксперимент и заставили гигантский атом вести себя подобно крошечной планетной системе.

В начале XX века нобелевский лауреат, знаменитый датский физик Нильс Бор, предложил такую наглядную модель атома. Он предположил, что атом в некоторой степени схож с нашей Солнечной системой: вокруг светила-ядра вращаются по своим орбитам-уровням планеты-электроны.

Потом это представление неоднократно пересматривалось и усложнялось. В частности, внутри ядра были обнаружены протоны и нейтроны, а сами электроны, как оказалось, вовсе не представляют собой некие точечные образования, подобные твердым телам-планетам.

Но возвращаются миры на круги своя. Никто ведь никогда не видел атом воочию, а потому и не знал, как он на самом деле выглядит. Выяснить это взялись недавно ученые из университета Райс, США. Но поскольку современная техника все еще не позволяет разглядеть строение атома во всех деталях, исследователи решили… увеличить его размеры.

Идет эксперимент по накачке атома энергией с помощью лазера. Фото вверху: так выглядит атом при первом приближении.

Для этого они взяли один-единственный атом калия и накачали его электроны энергией с помощью ультрафиолетового лазера. При этом электроны перешли на столь высокие энергетические орбиты, что размер атома увеличился в 100 000 раз по отношению к его нормальному состоянию.

При этом электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны вести себя, как планеты крошечной солнечной системы, подчиняясь законам классической ньютоновской механики, предположили физики. Правда, отследить перемещения каждого электрона в отдельности они пока не смогли, но о его энергии, скорости и положении можно судить и по косвенным показателям — например, по волновой функции электрона, которая называется волновым пакетом.

Использовав радиоизлучение с вращающейся поляризацией, исследователи стали как бы кадр за кадром фиксировать движение электрона вокруг атома.

В следующих экспериментах они попробуют «запустить» на различные высокие орбиты вокруг ядра одновременно два волновых пакета электронов, что позволит им смоделировать более сложную «планетную систему».

У роботов три недостатка: они дороги, сложны и слишком велики. Несмотря на все успехи нанотехнологий, собирать крохотных и при этом эффективных роботов человек еще не научился. Тогда почему бы нам не воспользоваться «наработками» природы?

Ученые и инженеры ныне занимаются созданием животных-киборгов, поведение которых можно контролировать. Наиболее продвинулись они в управлении насекомыми.

Представители этого класса интересны хотя бы тем, что умеют ползать, бегать (некоторые даже на двух ногах), плавать и летать. При этом они невелики по размерам и очень эффективно расходуют энергию.