Текст книги "Юный техник, 2012 № 10"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

СОЗДАНО В РОССИИ
Победитель пламени

Вещество, которое сможет победить огонь, Виктор Ким разработал вместе с учеными из Новосибирского института органики и Института прикладной химии Санкт-Петербурга. Чтобы воплотить идею в жизнь, понадобилось несколько лет. Раствор, внешне похожий на воду, не имеет ни цвета, ни запаха, да и разливается в пластиковые многолитровые бутылки, как для кулеров. Побрызгаешь этой водицей вещь – и считай, что сберег ее от пожара.

– И до этого ученые изобретали огнезащитные составы, но они не были универсальны, – рассказал изобретатель журналистам. – Был, например, один состав для натуральной ткани, другой состав – для искусственной, третий – для обработки древесины… А мы создали вещество, которым можно обработать абсолютно любую ткань, любую поверхность – и она не будет гореть.

Ученые не раскрывают состава чудодейственной жидкости, поскольку патентование не завершено, но уверены, что их разработка способна спасти тысячи жизней. Если лесной пожар подступит к какому-нибудь городу или деревне, достаточно облить жидкостью из брандспойта границы населенного пункта – и стихия не пройдет.

– В фильме «Вий» Фома чертит вокруг себя мелом круг, и нечисть не может через эту невидимую стену пробиться, – продолжал рассказ Ким. – Так же с нашим веществом – если им начертить круг на траве, то внутрь этого круга огонь не войдет. Для оперативного локального тушения пожара – это просто находка! Ведь точно так же огонь не может выйти и за пределы очерченных границ…

Изобретатель Виктор Ким.

Макет домика справа обработан огнестойким раствором, а слева – нет. Оба были подожжены одновременно. Разница видна невооруженным глазом.

Свою разработку ученые намерены отправить в МЧС, надеясь на сотрудничество. А пока другие ведомства вовсю используют разработку сибиряков.

– Нашим раствором обработан занавес в оперном театре, теперь он не загорится. Даем гарантию на 10 лет, – рассказывает Виктор Ким. – Также мы сотрудничали с филармонией, различными театрами, школами… Кто-то просит нас обработать декорации, кто-то – полы в классах перед их покраской. В общем, заказов немало.

Уничтожить огнезащитную пленку может только вода. Поэтому разработчики признаются, что облить чудо-средством всю Россию, чтобы навсегда забыть, например, о лесных пожарах, все-таки не получится. Как только пройдет дождь, действие вещества закончится.

Как продлить стойкость вещества? Над этим изобретатель как раз и думает.

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Охота за неуловимым

Физики Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), ведущие исследования на Большом адронном коллайдере (БАК), объявили недавно, что с точностью в 99,99995 процента (или 5 «сигма») обнаружили наконец загадочный бозон Хиггса, охота за которым велась около полувека. Если это подтвердится, можно будет считать, что сделано, пожалуй, самое значительное открытие физики XXI века, заявили участники исследований.

Что же так взбудоражило научную общественность мира?

Откуда «Частица Бога»?

В истории ядерной физики уже бывали случаи, когда открытие, сделанное «на кончике пера» теоретиком, затем блестяще подтверждалось на практике. Классическим считается случай с открытием позитрона. Сначала существование этой частицы было теоретически предсказано английским физиком-теоретиком Полем Дираком в 1931 году. А год спустя американский физик К.Д. Андресон обнаружил эту частицу – «двойника электрона», или античастицу с положительным зарядом, – в космических лучах.

Существование же бозона Хиггса было предсказано британским профессором Питером Хиггсом в 1966 году как последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, которую еще называют Стандартной моделью.

По мнению Хиггса, эта гипотетическая частица должна отвечать за массы всех других элементарных частиц.

Так называемый хиггсовский механизм, который объясняет происхождение массы, был предложен в 1962 году американским физиком Филиппом Андерсоном, а двумя годами позже детально проработан тремя независимыми группами ученых – Франсуа Англером и Робертом Браутом, Питером Хиггсом и Джеральдом Гуральником, Карлом Хагеном и Томом Кибблом.

Почти два десятилетия назад физик Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, нобелевский лауреат Леон Ледерман в своей статье как бы в шутку назвал бозон Хиггса «проклятой частицей» (goddamn particle), поскольку она никак не поддавалась идентификации. Однако редактору статьи название не понравилось, и он переименовал ее в «божественную частицу» (God Particle). Так с легкой руки редактора название «частица Бога» и закрепилось в литературе.

Чем же важна эта частица для физиков? В самом упрощенном виде суть рассуждений здесь такова. Когда Вселенная начала остывать после Большого взрыва, сформировалась некая гипотетическая сила, известная как поле Хиггса. Материальными носителями этой силы, ее квантами, и должны быть, по идее, бозоны Хиггса.

Именно это поле (а не сам бозон) объясняет появление массы у частиц, сформировавших атомы. Без его существования частицы просто пронизали бы космос со световой скоростью. А согласно теории Эйнштейна, частицы, имеющие массу, разгоняться до скорости света не могут.

То, как работает поле Хиггса, ученые попытались рассказать журналистам в ЦЕРНе на пресс-конференции, созванной по этому поводу. «Вот вас здесь целая толпа, – пояснил «на пальцах» суть дела один из выступавших. – Представьте, что в эту комнату вошел сам Питер Хиггс. Пока вы не знаете, кто он такой, профессор может спокойно передвигаться по комнате. Но как только кто-то из вас его узнает, тотчас вокруг профессора образуется плотная толпа, пробиться через которую ученый сможет с большим трудом. Точно так же наличие поля Хиггса мы можем обнаружить только по пролету бозона Хиггса…»

Специальные ловушки

Все охотники прекрасно знают: на каждого зверя нужны свои ловушки. Та, что предназначена, например, для поимки бобров, не годится для ловли зайцев. А потому исследователи потратили немало усилий, чтобы создать такие ловушки.

Сегодня их в мире две. Это теватрон в лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) в США и БАК в ЦЕРНе близ Женевы. Американские физики из Фермилаба помогли европейским коллегам, предоставив им результаты более чем десятилетних поисков бозона Хиггса. По их данным, если частица существует, то ее масса должна находиться в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.

Схема детектора ATLAS, с помощью которого был детектирован бозон Хиггса.

Один из участников этой работы, наш соотечественник Дмитрий Денисов, сказал так: «Мы на Тэватроне знаем, как открывать частицы. Мы открыли топ-кварк, шесть новых барионов (частиц, состоящих из новых комбинаций кварков. – Ред.), процесс самых быстрых переходов между материей и антиматерией и много других новых процессов. То, что мы видим в наших данных по Хиггсу, указывает на то, что бозон Хиггса существует»…

Денисов также добавил, что большой вклад в этот результат внесли и российские ученые – в одном из экспериментов было задействовано 100 представителей Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Института физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино, МГУ имени Ломоносова, Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) и Петербургского института ядерной физики имени Константинова (ПИЯФ).

Все эти работы помогли европейским физикам настроить Большой адронный коллайдер – ускоритель элементарных частиц с окружностью тоннеля в 26,7 км, который залегает под землей на глубине от 50 до 175 м на границе Швейцарии и Франции.

Продолжение следует

И вот спустя 12 лет после начала работы над БАКом появились первые значительные результаты. Сразу две группы ученых, работающих на детекторах «CMS» и «Atlas» в конце 2011 года, заявляли о нахождении неких, похожих на бозон Хигса частиц. Всего таких частиц было обнаружено около 300. Но ученые полагали, что этого мало, чтобы уверенно заявить: «Охота закончена. Мы поймали то, что хотели!»

Для полной уверенности ученым необходимо было добиться степени достоверности результатов в 99,99995 процента (или 5 «сигма», что соответствует статусу научного открытия). И эксперименты были продолжены.

«Мы достигли уровня вероятности почти в 5 «сигма», – сказал 4 июля 2012 года на семинаре представитель эксперимента «CMS» Джо Инкандела.

Итак, бозон Хиггс существует. Пока исследователи знают о нем не очень много, в частности только то, что его вес составляет в среднем 125 гигаэлектронвольт (эксперимент «Atlas» дал результат 126,5 ГэВ, a «CMS» – 125,З ГэВ). Теперь им предстоит большая работа по перепроверке полученных результатов, уточнению «портрета» частицы, описанию ee свойств.

Кроме того, во Вселенной осталось еще немало загадок. Например, науке пока неизвестно, почему наш мир в основном состоит из вещества, а антивещества ничтожно мало? Почему то, что мы видим вокруг, как показывают опять-так и теоретические расчеты, – всего лишь 4 процента от существующей материи во Вселенной? Остальное приходится на «темную материю» и «темную энергию», но что это такое, как обнаружить это «неизвестно что» экспериментально, физики пока не знают. Так что продолжение еще обязательно последует.

Г. МАЛЬЦЕВ, научный обозреватель «ЮТ»

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
«Забор» для землетрясения

Доктор Уильям Парнелл из университета Манчестера разрабатывает теорию, которая позволит защитить здания от землетрясений, сообщает журнал Proceedings of the Royal Society. Ученый математически доказал, как можно заставить сейсмические волны обходить охраняемые объекты стороной. Для этого нужно зарыть в землю по периметру сооружения специальные щиты из отражающих волны материалов.

В своем выступлении на слушаниях Королевского общества (Британской академии наук. – Ред.) Парнелл так описал принцип действия такой системы. «Ее основу составляют особые нелинейные неогуковские эластомерные материалы, – сообщил ученый. – Они отличаются от обычных нелинейной зависимостью между механическим напряжением и деформацией, то есть под нагрузкой не происходит разрыв материала, поскольку резиновые элементы сильно спрессованы».

Говоря проще, барьер из полимеров выполняет роль своеобразного волнолома, защищающего причал от морского шторма.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Сила капель

О том, что вода – жидкость, на редкость странная, известно давно. Судя по структуре и составу молекул, она даже жидкой быть не должна, поскольку состоит из двух газов. Исследованию капель воды были посвящены недавние работы ученых.

И вот к каким открытиям они пришли…

Началось все с того, что несколько лет тому назад профессор Осман Базеран из Университета Пардью, штат Индиана, США, вдруг заинтересовался каплями, падавшими из неисправного крана.

Оказалось, что интервалы между каплями меняются, причем никто не в состоянии предсказать, когда именно упадет следующая капля.

«А теперь мы можем предсказать поведение сотен падающих друг за дружкой капель, – с гордостью заявил профессор, потративший немало времени на исследования. – Ранее же поведение воды можно было рассчитать, только когда ее струя ограничена какими-то «рамками»: например, когда она бежит по трубе. И нам пришлось проделать тысячи экспериментов, чтобы понять, по каким законам капли воды стекают из крана, что определяет их ритм…»

В своей работе Осман Базеран оттолкнулся от наблюдения, которое сделал Джен Эггер из Чикагского университета: капля, зависшая на кончике крана, как бы связана тонкой нитью со следующей. Но вот капля падает, нить рвется и скрывается внутри крана. Это навело Эггера на следующую идею: он сравнил каплю воды с грузом, подвешенным на резинке. Если вес груза увеличивается, как и вес капли, то резинка истончается, растягиваясь, и в конце концов разорвется, а конец ее подпрыгнет вверх. Этот процесс уже можно рассчитать. Эггер описал поведение растягиваемой резинки с помощью уравнения. Оказалось, что результаты, полученные Эггером, довольно точно отражают поведение капель воды.

Базеран усовершенствовал модель Эггера, описав еще и то, что происходит внутри самой капли. Ученый словно бы разъял ее на множество частей, чтобы понять, как отдельные группы молекул перемещаются внутри. При этом он сумел выяснить, что происходит после того, как водяная нить разорвется.

Компьютерная модель показала: как только капля срывается вниз, то нить, на которой она висела, сперва сама скручивается в крохотную капельку-сателлит. С ее поверхности тут же срываются мельчайшие частички воды – субсателлиты; они всплывают из глубины этой капельки, как мяч из воды (см. рис).

Оказалось, что эти исследования весьма полезны на практике. Так, именно из-за появления капель-субсателлитов многие струйные принтеры оставляют не совсем четкий оттиск. Теперь, зная, что за микроскопические процессы протекают внутри каждой капли, можно изготовить струйный принтер, работающий так же четко, как лазерный.

Следующий шаг сделали европейские коллеги американского профессора. При анализе работы того же струйного принтера им удалось обнаружить ранее неизвестный феномен. В момент столкновения водяной капли с бумагой или иной твердой гидрофобной поверхностью от капли отделяется тончайшая струйка. Причем скорость ее в 40 раз превосходит скорость падения самой капли!

Это наблюдение Денис Бартоло из французской Ecole Normal Superieure и его коллеги из Нидерландов зафиксировали на видео и рассчитали, что при начальной скорости капли, равной 50 см в секунду, скорость отделяющейся от нее тонкой струйки равна 20 м в секунду.

Однако если увеличить скорость капли, сделав ее больше 70 см в секунду, этот эффект исчезает. Почему?

Исследователи предположили, что микроскопический поток воды возникает от столкновения друг с другом и «взрыва» заключенных в капле пузырьков воздуха, когда капля деформируется в результате удара о поверхность. А при увеличении скорости падения капли пузырькам воздуха в капле удержаться уже не удается, и «взрывов» уже не происходит.

Полученные результаты важны для понимания практически всех процессов, при которых происходит столкновение капель с поверхностью. Речь идет и о струйной печати, и о капельном орошении, а также об опрыскивании пестицидами в агрономии и применении аэрозолей в современном изобразительном искусстве.

Теперь давайте отправимся к химикам Принстонского университета, которые разработали новую технологию для быстрой печати удивительно тонких линий, позволяющую печатать линии в десять раз тоньше и на несколько порядков быстрее, чем обычно, что должно дать толчок развитию гибкой электроники и произвести революцию в технологии производства дисплеев.

В основе метода лежит известная технология получения электродинамических струй, при которой жидкость из сопла вытягивает сильное электрическое поле.

Особенность таких струй – их неустойчивость, из-за которой струя либо быстро разбивается на мелкие капельки, либо начинает извиваться, словно змея. Эти неустойчивости давно используют в различных технологических процессах. Например, режим «извивающейся змеи» используется, чтобы свивать волокна при плетении нитей. А режим мелких капель – для нанесения на поверхность ровного слоя краски.

Однако математически предсказать поведение струи долго не могли. Принстонские исследователи обратили внимание на то, что, когда струя начинает извиваться, ток, идущий по самой струе, заметно меньше полного тока в цепи. В природе, как известно, ничто не исчезает. Оставалось предположить, что воздух вокруг струи ионизируется, и часть тока течет по окружающей струю плазме, заставляя струю извиваться.

Эта гипотеза позволила развить теорию электродинамических струй и найти параметры, при которых струи устойчивы, сообщает журнал Physical Review Letters.

Причем теория блестяще подтвердилась на практике. В ходе эксперимента удалось получить струи толщиной в 100 нанометров и длиной до 8 миллиметров. Интересно, что получается такая струйка из сопла диаметром в полмиллиметра (то есть сопло в 5000 раз толще струйки!). Это, в свою очередь, позволяет избежать засорения сопловых отверстий и довести скорость печати линий до нескольких метров в минуту. Раньше линии такой толщины можно было получать только травлением или электронным лучом и не быстрее, чем примерно микрон в минуту.

Высокоскоростная струйная печать позволит создавать большие электронные схемы на гибкой основе, широкоформатные дисплеи, трехмерные решетки для фотонных кристаллов и многое другое, уверяют разработчики, уже запатентовавшие свою технологию.

И это еще не все об исследованиях, связанных с водяными каплями. Вероятно, в ближайшем будущем мы узнаем еще немало сенсационного об этой, казалось бы, заурядной жидкости – воде.

Публикацию подготовил С. СЛАВИН

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ЛЕД В ПУСТЫНЕ?

Голландец Ап Ферегген предложил идею производства льда в пустыне в специально установленных скульптурах, по внешнему виду напоминающих гигантские листья. По всей поверхности скульптур будут установлены солнечные батареи. Полученная энергия будет запускать механизм конденсации паров воды, содержащихся в воздухе, а затем конденсат будет заморожен.

Когда проект Фереггена будет воплощен в жизнь, пока неизвестно. Однако голландец заявил, что ему и его коллегам, работающим в нидерландской лаборатории Zoetermeer, где воссозданы условия пустыни, уже удалось произвести кусок льда толщиной 10 см. Сами же скульптуры, образующие лед, могут послужить, например, своеобразными кондиционерами в залах ожидания аэропортов или в зонах отдыха тропических стран.

КНИЖНЫЕ ГЕРОИ. Книголюбам свойственно подсознательно перенимать черты характера, и особенности поведения героев художественных произведений, с которыми они себя отождествляют. Такое заключение сделали исследователи из Университета штата Огайо на основании анализа экспериментов, проведенных при участии 500 добровольцев.

«Если во время чтения произведения вы как бы растворяетесь в мире вымышленного героя, то можете и в действительности изменить свое поведение, рассматривая происходящее в реальной жизни под тем же углом зрения, что и главный герой произведения, – подчеркивают авторы работы Джефф Кауфман и Лиза Либби. – Причем, в зависимости от характера героя, подобное восприятие может оказать на читающего как отрицательное, так и положительное воздействие».

КАКАЯ ПОЛЬЗА ОТ АСТЕРОИДОВ? Один из первых космических туристов Эрик Андерсон и предприниматель Питер Диамандис представили необычный проект по добыче полезных ископаемых на астероидах. Новая программа уже привлекла внимание инвесторов, среди которых известный американский кинорежиссер Джеймс Кэмерон и члены совета директоров компании «Гугл» – Ларри Пейдж и Эрик Шмидт.

На начальном этапе программа будет сосредоточена на строительстве недорогих спутников, предназначенных для разведки природных ресурсов, которые могут находиться на астероидах. Основатели проекта не исключают, что первый демонстрационный старт может состояться в ближайшие два года. В случае удачного развития программы в последующие пять лет компания перейдет непосредственно к добыче полезных ископаемых – прежде всего драгоценных металлов, например платины.

БРАСЛЕТЫ ДЛЯ ЗАБЫВЧИВЫХ. Французская новинка предназначена для людей, имеющих привычку на ходу что-то записывать прямо на руке. Теперь это можно сделать на бумажном браслетике разработки парижской студии РА Design. В течение дня на браслете можно сделать пометки, а вечером снять браслет и перенести необходимые сведения в ежедневник или в память компьютера.

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Комета в колбе

Множество сложных органических веществ – 26 видов аминокислот – обнаружила в искусственном кометном льду группа специалистов, работающих по программе европейской космической миссии «Розетта», сообщает научное издание ChemPlusChem.

Вселенские «инкубаторы»

В наши дни все больше сторонников приобретает так называемая гипотеза панспермии, согласно которой жизнь не зародилась на нашей планете, а была привнесена на нее в виде сложных органических аминокислот, которые и являются «кирпичиками» всего живого на Земле. «Почтальонами» послужили кометы и метеоры, которые в большом количестве блуждают по просторам Солнечной системы и даже за ее пределами. На них в самом деле уже несколько раз обнаруживали органические вещества.

Но откуда они там берутся? В поисках ответа на этот вопрос международная группа исследователей выдвинула смелую гипотезу, суть которой заключается в следующем. Сами кометы по существу являются крошечными филиалами огромного галактического комбината, производящего сложную органику в межзвездной среде.

То, что космическое пространство может содержать достаточно сложные органические соединения, подтвердил недавно анализ микрочастиц, собранных специальным зондом в облаке газа и пыли кометы 81Р/Вильда и доставленных на Землю по программе космической миссии NASA Stardust.

А теперь получены свидетельства, что разнообразие аминокислот, содержащихся в кометах, может быть весьма велико. Кометный лед, как показал эксперимент, может содержать даже диамин-карбоксильные кислоты – строительные блоки пептидонуклеиновых кислот (ПНК). Существует предположение, что более простые и стойкие к действию высоких температур ПHK могли предшествовать РНК и ДНК в кодировании генетической информации у самых ранних организмов, живших на нашей планете рядом с многочисленными глубоководными вулканами. Другими словами, диаминкарбоксильные кислоты в составе кометного льда – серьезный козырь в пользу того, что сложную органику, необходимую для возникновения живой материи, Земля получила из космоса с ядрами комет.

Установка по имитации синтеза пометного вещества.

Космос на Земле

Получить кометное вещество, не летая в космос, ученые смогли, сымитировав межзвездную среду в специальной установке. Она была спроектирована и изготовлена в Институте космической астрофизики при Университете Париж – Юг (Франция) под руководством профессора Луи ле Сержан д’Эндекура.

Установка представляет собой вакуумную камеру, внутри которой помещается мишень из фторида магния, охлажденная до температуры 80К, ультрафиолетовый излучатель и пушка, обстреливающая мишень смесью из молекул воды (Н₂О), аммиака (NH₃) и метанола (СН₃ОН) в пропорции 2:1:1.

Попавшие в камеру летучие вещества облучались жестким ультрафиолетом, имитировавшим космическое излучение. В итоге на поверхности мишени оседали кристаллы. Так были воссозданы условия, в которых в газопылевом облаке молекулы воды, аммиака, углекислоты и других веществ конденсируются на микрочастицах межзвездной пыли. Затем эти частицы под действием электростатических сил и гравитации образуют более крупные сгустки материи.

В природе эти процессы занимают десятки, а то и сотни тысяч лет. У исследователей же всего за 10 суток работы установки на мишени накопилось несколько микрограмм квазикометного вещества, состоящего из органики и льда. Этого оказалось вполне достаточно, чтобы загрузить работой новейший многоканальный газовый хроматограф, установленный в Химическом институте Ниццы.

С его помощью астробиологи Уве Мейерхенрик и Корнелия Мейнерт и обнаружили 26 аминокислот, остававшихся не замеченными ранее. Кроме аминокислот, входящих в состав белков – глицина, аланина, серина, пролина и других, – в образце было обнаружено и шесть диаминовых кислот, структурно очень схожих с РНК и ДНК. Эти структуры, возможно, предшествовали миру РНК и ДНК на нашей планете, полагают исследователи.

А возникнуть они могли из относительно простых компонентов в условиях межзвездной среды – вакуума, низких температур и высокой радиации.

Схема формирования протокометного вещества в межзвездной среде.

Слева направо: частица космической пыли, покрытая тонкой оболочкой льда, содержащего молекулы воды, СО, С0₂, метанола и аммиака; частица пыли в ледяной оболочке подвергается действию ультрафиолета; в результате фотохимических реакций в ледяной оболочке формируются радикалы и сложные органические молекулы.

Повторение пройденного?

Получить в лаборатории кометное вещество пробовали и раньше. Мы писали об этом еще в 70-е годы XX века (см. «ЮТ» № 9 за 1977 г.). Уже в те годы была сконструирована установка «Комета», моделирующая условия открытого космического пространства. Один из ее создателей, О.В. Добровольский, предположил возможность органического синтеза на поверхности ядер комет. Позже выводы советских ученых подтвердились.

Сейчас почти не осталось сомнений, что с помощью комет органические вещества распространяются с планеты на планету.

Убедиться в этом можно будет через три года, когда на поверхность кометы Чурюмова – Герасименко, отделившись от аппарата Европейского космического агентства «Розетта», спустится зонд, вооруженный массспектрометром и хроматографом.