Текст книги "Юный техник, 2013 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Микробы и строительство

Вы знаете: ни одно здание не может стоять вечно. Со временем разрушаются даже самые прочные конструкции из бетона и железобетона. Но их век можно значительно продлить, если использовать новейшую разработку в строительных технологиях – самовосстанавливающийся бетон.

Американская студентка Мишель Пеллетьер вместе с профессором Университета Род-Айленда Ариджитом Боусом придумала технологию, которая позволит значительно увеличить срок службы бетонных изделий.

Речь о том, чтобы ввести в бетон микромолекулы с натриево-силикатным восстанавливающим реагентом.

Когда бетон дает трещину, капсулы разрушаются и высвобождают «лечащее» вещество. Молекулы силиката натрия взаимодействуют с гидроксидом кальция, уже присутствующим в бетоне, и образуют гель, который заделывает трещину и затвердевает. После проведения испытаний выяснилось, что таким образом бетону удалось восстановить 26 % своей первоначальной прочности и структуры. Ученые уверены, что этот показатель можно еще увеличить.

Другие исследователи пробовали применять в этих целях бактерии, которые выделяют карбонат кальция.

Так, например, Алан Ричардсон, ученый из Университета Нортумбрии в Великобритании предложил использовать для получения кальцита бактерии Bacilli megaterium. Ученый вырастил колонию бактерий на специальном бульоне и добавил их к бетону. Бетон служит бактериям источником питания, они в нем активно размножаются и распространяются, образуя при этом все больше кальцита, выступающего в роли герметика. Кальцит заполняет все трещины в бетоне и запечатывает их, препятствуя разрушению конструкций.

Исследователи Дельфтского университета проводят испытания бетонного образца, поселив в нем колонии бактерий.

Конечно, в будущем «нетрескающийся» бетон ждет еще много тестов и экспериментов. Однако Алан Ричардсон уверен, что его детище с легкостью пройдет все испытания. Созданный им бетон устойчив к воздействию внешних факторов и стоит не дороже обычного. Ремонтная смесь с чудо-бактериями в своем составе также будет очень полезна при восстановлении уже существующих объектов из бетона.

Ученого поддержали сотрудники голландского Дельфтского технического университета, которые приступили к полевым испытаниям самовосстанавливающегося бетона, трещины в котором заделывают специальные бактерии.

Ученые добавляли в материал гранулы, содержащие споры микроорганизмов, а также гранулы лактата кальция. Помимо того, что это вещество служит источником энергии для бактерий, при его переработке образуется кальцит (одна из форм карбоната кальция), отложения которого и заполняют образующиеся в бетоне щели. Триггером, запускающим процесс залечивания необычного бетона, является образование щели и попадание в нее влаги. До этого момента споры в материале находятся в спящем состоянии и способны сохранять жизнеспособность на протяжении многих лет.

Первые опыты показали, что бактерии действительно способны заделывать трещины кальцитом. При этом исчезают как относительно крупные дефекты, так и микротрещины размером около 0,2 миллиметра. Последние не влияют на механические характеристики материала и обычно допускаются нормами строительства.

В. ЧЕРНОВ

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Наномышцы для мегасилачей

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) вместе с коллегами из Китая, Австралии, Бразилии, Южной Кореи, Канады и Украины создали гибкие искусственные мышцы. Они сокращаются за 25 мс (время, за которое человек не успеет даже моргнуть) и развивают мощность, в 85 раз превышающую ту, которую способны развить равные по размеру мышцы человека, сообщает журнал Science.

Проектом руководит Рэй Баухман ( Ray Н. Baughman) – известный специалист в области материаловедения (70 патентов в США, свыше 310 научных публикаций). Работа эта длится уже не первый год. Так, в 2009 году в печати уже сообщалось о материале для искусственных мышц, способном одинаково хорошо работать в жидком азоте и расплавленном железе.

Руководитель проекта – Рэй Баухман.

Разработка представляла собой более жесткую, чем сталь, и в то же время еще эластичнее, чем резина, ленту из углеродных нанотрубок. Она способна расширяться и сжиматься за миллисекунды, хорошо проводит ток и может работать при температурах от минус 200 до плюс 1600 градусов по Цельсию.

Теперь Баухману и его коллегам удалось создать непосредственно сами искусственные мышцы. Для этого они опять-таки использовали углеродные нанотрубки, скрутив из них некое подобие микроканата. Причем трубки ученые не оставили полыми, а закачали в них парафин.

Стенки нанотрубок состоят из графита – такого, как если бы его взяли из обычного карандаша. Слоистость обеспечивает материалу достаточную пластичность, чтобы его структура не была повреждена при свертывании в спираль.

Диаметр искусственной мышцы составляет 20 – 200 нанометров, что в 1000 – 10 000 раз меньше диаметра обычного человеческого волоса. При этом по прочности нить-мышца превосходит сталь приблизительно в 100 раз. Полученные мышцы оказались способны поднимать вес в сотни тысяч раз больше собственного, не теряя при этом эластичности. То есть робот с подобными мышцами мог бы заменить небольшой подъемный кран.

В ходе исследования ученые закрепили неподвижно один конец мышцы, на другой повесили микрогирю и подвергли нить нагреву с помощью лазера. Графит обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет быстро нагревать парафин внутри нанотрубок. В процессе нагрева парафин начинает расширяться.

Канатообразные искусственные мышцы сжимаются при увеличении температуры или в ответ на внешнее напряжение.

За счет давления парафина углеродная трубка увеличивается в объеме, но ее длина при этом уменьшается – происходит сокращение. Этот процесс занимает приблизительно 0,025 секунды. Плотность энергии сокращения такой нити составляет около 4,2 кВт/кг, что в четыре раза больше отношения мощности к весу двигателя внутреннего сгорания.

Когда мы нагревали светом или током такую нить, то наблюдали, как она начинает вращаться и раскручиваться. При охлаждении нитей вращение прекращается. Скорость вращения достигает 11 500 оборотов в минуту. Крутящий момент мышцы получается больше, чем у электромотора», – рассказал руководитель проекта.

По словам Баухмана, ресурсы университета позволяют изготовить километр полотна для создания роботов, микроскопических моторов и клапанов, а также в индустрии детских игрушек.

Поскольку нановолокна достаточно эластичны и могут быть спрядены в нити, у ученых возникла идея создания одежды, реагирующей на условия внешней среды. Например, возможно создать скафандр, защищающий от внешних температурных или химических воздействий. В зависимости от температуры или наличия тех или иных отравляющих веществ в воздухе парафин внутри нанотрубок меняет свой объем, регулируя тем самым проницаемость скафандра.

Американские ученые работают также над созданием «обмундирования будущего» для солдат. Сверхлегкий комбинезон сможет защитить бойцов не только от влаги, но и от вредных газов, радиации и пуль.

Публикацию подготовил

С. НИКОЛАЕВ

Кстати…

МЫШЦЫ ВСЯКИЕ ВАЖНЫ, МЫШЦЫ ВСЯКИЕ НУЖНЫ…

Рэй Баухман и его команда вовсе не единственные специалисты, которые работают над проблемой создания искусственных мышц. В Техасском институте нанотехнологий в Далласе тоже разработаны искусственные мышцы, которые получают энергию из паров метанола, водорода и кислорода. Они представляют собой обернутую в катализатор сверхтонкую никель-титановую проволоку. Особенностью материала является то, что он может запоминать изначальную форму.

Для того чтобы заставить искусственные мышцы из проволоки изменять форму, их помещают над платиной и обрабатывают парами метанола, водорода и кислорода. Платина, благодаря реакции, нагревается и передает тепло проволоке, которая в свою очередь изменяет форму.

Ученые этого же института не остановились на достигнутом и разработали второй тип наномышц. Они взяли популярные в последнее время нанотрубки и «упаковали» их в катализатор.

Топливо вступает в реакцию с кислородом, и катализатор вырабатывает электрический заряд, который расширяет нанотрубку. Сетка нанотрубок под действием реакции способна расшириться на 220 %.

В Институте Болоньи разработали наномышцы пленочные. Пленка состоит из оксида индия и флюорида кальция. На поверхность пленки наносят положительно заряженные молекулы ротаксанов. Ими легко манипулировать, меняя кислотность среды, в которой они находятся. Изменяя рН, можно управлять пленочными мышцами.

Еще один вариант наномышц изобретен совместными усилиями ученых американской лаборатории Белла и немецкого Института Макса Планка. Технология наномышц была разработана по аналогии с тканями растения мухоловки, которая довольно быстро реагирует на появление насекомого в доступной близости.

Необычный материал состоит из пучка кремниевых игл, помещенных в мягкий гель. Структура геля меняется в зависимости от влажности окружающей среды.

От сжатия или расширения геля зависит положение кремниевых игл.

Ученые создали два варианта – HAIRS-1 и HAIRS-2.

Различие составляет расположение игл. В первом случае они располагаются параллельно, а во втором, один из концов иглы закрепляется на подложке. Управляя влажностью воздуха, можно изменять направление игл, заставляя их работать как мышцы человека.

Благодаря нанотехнологиям, сегодня можно создавать такие структуры, которые воспроизводят ткани человека. Однако все они требуют серьезных доработок.

В частности, для управления наномышцами необходимо будет создать специальные устройства, которые будут по заданным параметрам сокращать ткани.

Мухоловка

Схемы расположения игл HAIRS-1. Управляя влажностью воздуха, можно изменять направление игл.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Как возродить динозавров?

«Через 5 лет у пас будет живой динозавр!» – пообещал недавно известный американский палеонтолог Джек Хорнер ( Jack Horner) из Университета штата Монтана ( Montana State University). Сенсационное заявление ученого тем более интересно, что за месяц до него коллеги Джека из Университета Мердока (штат Западная Австралия) убедительно растолковали: клонировать ящеров никогда не получится. Потому что цепочки их ДНК за давностью времени уже полностью разрушены. Так кто же прав?

Зачем курам зубы?

По данным австралийцев, предельный срок сохранности генетического материала, который можно было бы найти в ископаемых костях, составляет порядка 7 миллионов лет. А последние динозавры вымерли около 65 миллионов лет назад. Так как же быть?

Профессор Хорнер, который, если верить легендам Голливуда, в свое время вдохновил Стивена Спилберга на создание знаменитого фильма «Парк Юрского периода», уверяет, что для воссоздания ящеров никаких цепочек ДНК не надо. На практике процесс пойдет вовсе не так, как в кино.

Поначалу предполагалось, что исследователи найдут в ископаемых костях целую цепочку ДНК или на худой конец смонтируют ее из кусочков, найденных в разных клетках, поместят в яйцеклетку приемной матери, которая выносит и родит приемыша. В случае клонирования мамонтов суррогатной матерью должна стать слониха, а в «Парке Юрского периода» говорилось о крокодилихе.

Однако, по мнению Хорнера, технология должна быть совершенно иной. В качестве исходного материала он планирует взять эмбрион птицы и заставить его вернуться назад в прошлое. В результате должен родиться динозавр, который таится внутри этого эмбриона…

Дело в том, что, как полагает Хорнер и некоторые его коллеги, современными потомками динозавров являются вовсе не крокодилы и аллигаторы, а… птицы, в том числе обыкновенные куры.

Используя компьютерную томографию и математическое моделирование, испанские и американские исследователи выявили потрясающее сходство в анатомическом строении птиц и детенышей динозавров – особенно их черепов. На основании этого палеонтологи сделали вывод: нынешние птицы – это те же динозавры, только остановившиеся в своем развитии на ранней стадии. Такое явление в эволюции называется педоморфизмом.

Случается такое в результате какого-либо сбоя в наследственной программе.

Вот этим обстоятельством и намерен воспользоваться Джек Хорнер. «Мы разбудим атавистические гены в ДНК птиц и заставим их проявиться вновь», – говорит он.

Начать «пробуждение» генов ученый собирается именно с кур, поскольку их геном хорошо изучен, так что легче будет найти специфические гены и подобрать для управления ими соответствующие белки-регуляторы.

Кстати, первые шаги на пути волшебного превращения курицы в динозавра уже сделаны. Пару лет назад у цыплят удалось вырастить зубы, как раз активировав гены, заснувшие примерно 70 миллионов лет назад. Таким же образом у курозавров должны появиться трехпалые лапы, передние конечности… Причем некоторые исследователи хотят, чтобы динозавр получился не с курицу ростом, а хотя бы со страуса.

Переделывать кур в динозавров берется профессор Дж. Хорнер.

Ты и я одной крови?

Еще один способ возрождения динозавров изобрела профессор Мэри Швейцериз университета Северной Каролины. Она нашла в останках тираннозавра, погибшего 67 миллионов лет назад, живые клетки – красные кровяные тельца, эритроциты.

Утверждение само по себе кажется невероятным. Ведь трудно даже предположить, чтобы хоть что-то из органики сохранилось в течение столь длительного времени. Тем не менее, Швейцер стоит на своем.

Окаменелости одного из крупнейших наземных хищников мелового периода – тираннозавра – были найдены группой ученых во главе с Мэри Швейцер в 2003 году на северо-западе США в Хелл-Крик. Эта местность, название которой в переводе звучит как «Адский ручей», известна прежде всего большим количеством найденных здесь останков динозавров (во времена их существования район отличался теплым субтропическим климатом).

Слева обычный эмбрион цыпленка, справа – зубастый, прообраз будущего динозавра.

Кроме того, хорошей сохранности ископаемых животных способствовал состав здешних пород – сланцы, легко расщепляющиеся на отдельные пластины, и алевриты, занимающие промежуточное положение между глиной и песком. Они, как уверяет Швейцер, помогли сохранить органические соединения.

Профессор Мэри Швейцер.

Оппоненты Мэри Швейцер утверждают, что обнаруженные красные тельца, очень напоминающие кровяные, – отнюдь не живые клетки, а своего рода биологическая пленка, образовавшаяся после того, как на кости, находившиеся под землей, попали сторонние микроорганизмы, например, из почвы. Да и вообще не факт, что Швейцер нашла останки динозавров, а не других животных, живших позже. Остались ведь лишь фрагменты кости.

Но Мэри Швейцер упрямо гнет свою линию. Она полагает, что ни о какой биопленке речи не идет. По ее словам, органические соединения находятся внутри костей найденного существа, а не на их поверхности. Исследовательница также указывает, что ее находка не единственная. Близ реки Джудит в штате Монтана были обнаружены еще более древние кости брахилофозавра, которым около 76,5 миллиона лет. Но в них тоже сохранились фрагменты белка.

Кроме того, кровь древних животных могла сохраниться в мелких насекомых – мухах, оводах, блохах и прочих паразитах, которые когда-то кусали динозавров, а затем законсервировались в янтаре – застывшей древесной смоле. Ученый из Иордании Аббас Хаддадиннашел в кусочке янтаря осу возрастом 135 миллионов лет и выступил с заявлением: «Мы хотим получить древнейшую в мире ДНК для того, чтобы создать копию динозавра. Мы сделаем ее из клеток, которые найдем в брюшке насекомого».

Однако перспектива использования насекомых для клонирования динозавров пока представляется еще более сомнительной, чем способы, о которых шла речь выше.

Нужны ли нам они?

Давайте предположим, что эксперимент удался, древних ящеров удалось возродить. Что дальше? Для них и в самом деле придется выделять обширную территорию, как это показано в «Парке Юрского периода». И это еще не все. Чем их кормить? Даже если мы возродим лишь травоядных динозавров, в настоящее время на Земле нет столь огромного количества хвощей и других растений, которыми они привыкли питаться. И климат на планете теперь совершенно иной…

Получается, одновременно с динозаврами придется возрождать еще и растительность того периода. А сам юрский зоопарк должен будет размещаться в некой биосфере, под крышей которой придется поддерживать соответствующий климат… В итоге затея обойдется так дорого, что многие уже задумались: стоит ли овчинка выделки?

Зачем нам, собственно, динозавры? Практической надобности в них никакой нет. Не разводить же их на мясо?.. Проскочило, правда, сообщение, будто бы некоторые эксперты Пентагона рассматривают возможность применения хищных динозавров в качестве неких «боевых машин» на поле боя. Но насколько они эффективнее тех же танков?..

В общем, подобную идею сочли чересчур экзотической даже фантасты. Так что, если профессор Джек Хорнер и его коллеги найдут средства на осуществление своей затеи, проект, скорее всего, закончится выведением некой породы зубастых кур. Да и с теми, вероятно, хлопот будет немало.

И.ЗВЕРЕВ

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…
Альтернатива нефти

Я слышал, что за рубежом научились изготовлять бензин из воздуха и воды. Правда ли это?

Илья Мясников , г. Тамбов

Группа британских ученых разработала уникальную технологию производства горючего из компонентов атмосферного воздуха, которая обещает решить энергетический кризис и сократить долю углекислого газа в атмосфере Земли, сообщила недавно британская газета Independent.

В статье говорится, что небольшая британская компания Air Fuel Synthesisиз города Стоктон-он-Тис на северо-востоке Англии смогла произвести пять литров топлива, синтезировав его из атмосферного углекислого газа и водяных паров.

«Мы взяли диоксид углерода из воздуха и водород из воды и обратили эти элементы в горючее. Никто раньше ни в нашей стране, ни, насколько мне известно, за рубежом не делал этого. Жидкость выглядит и пахнет, как бензин, но это гораздо более чистый продукт, чем бензин из нефти», – рассказал глава компании Питер Харрисон, представляя разработку в лондонском Институте механической инженерии.

Сейчас технология получения синтетического бензина находится на начальном этапе развития и требует больших затрат электроэнергии. Однако сотрудники Air Fuel Synthesis полагают, что в конечном итоге они смогут использовать для получения топлива энергию из возобновляемых источников, таких как ветряные мельницы или приливные электростанции.

Несмотря на то что британская пресса преподнесла эту весть как своего рода сенсацию, надо сказать, что альтернативы углеводородному топливу предлагаются довольно часто. Немецкие химики Фишер и Тропш пытались производить синтетическое топливо еще в начале XX века.

А во время Второй мировой войны в Германии были даже построены заводы по его производству. Однако топливо это оказалось весьма дорогим и его производство диктовалось лишь военной необходимостью. Вскоре после окончания войны производство синтетического топлива было прекращено.

И перспективы нынешней английской технологии, по словам Бориса Рыженко, доктора химических наук, заведующего лабораторией моделирования гидрохимических и гидротермальных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского, тоже весьма призрачны.

Схема одного из вариантов получения топлива из воздуха и воды. Молекула диоксида углерода (справа).

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

КТО КОГДА ВРЕТ.Представительницы прекрасного пола запросто могут солгать, если сидят или стоят. Но…

Ученые из университета в Генте, Бельгия, под руководством профессора-физиолога Бруно Верчуэре попросила поучаствовать в экспериментах 123 студенток. Во время опытов, когда девушкам приходилось отвечать на каверзные вопросы, находясь в разных позах, проводили сканирование их головного мозга. Тут-то и выяснилось, что лгать лежа у них получается хуже всего.

Что же касается мужчин, то, как утверждают ученые, они склонны обманывать во всех позах. Однако часто забывают, что говорили раньше, и на этом попадаются.

НА ЛУНЕ ОТКРОЮТ БАНК?В 2020 году NASA планирует развернуть на Луне постоянно обитаемую базу, которая должна стать первым внеземным форпостом человечества.

В дальнейшем она будет использоваться как плацдарм для продвижения к новым планетам Солнечной системы – прежде всего, к Марсу. Именно отсюда стартуют тяжелые межпланетные корабли, вырастут первые внеземные поселения и заводы.

Однако группа экспертов из французского Международного космического университета считает, что этого недостаточно. Луна должна еще стать резервным фондом земной мудрости, накопленной за долгие века.

Здесь в особых хранилищах разместят подробную информацию о земной культуре и технологиях – на случай, если нашу планету постигнет глобальное бедствие.

Предполагается, что уцелевшие земляне смогут относительно быстро восстановить культурные и технологические потери с помощью резервного банка данных, размещенного на Луне. Ну а если там окажется еще и банк биоматериалов, позволяющий восстановить вымершие виды путем селекции и клонирования, будет совсем хорошо!

НЮХ С НАСТРОЙКОЙ.Исследователи из Университета Чикаго обнаружили, что животные могут проводить точную настройку своего нюха для того, чтобы лучше обнаруживать хищников и еду.

В ходе экспериментов на крысах выяснилось, что грызуны могут «сосредоточить» свое обоняние примерно так же, как люди могут сфокусировать свой взгляд на определенном предмете.

Эксперименты американских ученых показали, что нос может действовать как своеобразный газовый хроматограф – устройство, отделяющее химические вещества в сложных смесях, таких, как аромат цветка.

Результаты исследований могут быть полезны при создании электронных устройств для улавливания запахов.

БЭТМЕН ЛЕТАЕТ ПЛОХО.К такому выводу пришли исследователи из британского университета Лестера. Посмотрев очередной фильм о человеке – летучей мыши, они создали компьютерную модель и рассчитали, как на самом деле должен летать пилот в таком костюме. Оказалось, что, спрыгнув с высоты 160 м, он разовьет скорость до 110 км/ч и погибнет, поскольку средств торможения создатели фильма не предусмотрели.