Приборы и материалы, которых не было
Бумажные аккумуляторы. Стекло из металла. Супердисплей из Сан-Диего. Воздействие на лазерный гребень. Рентгеновский минимикроскоп. Очень термоустойчивый чип. Путь к водородному транспорту.
В Ренсселаерском политехническом институте в штате Нью-Йорк изобретена бумага, в которой можно накапливать электрическую энергию. Правда, бумага эта не простая, а нанокомпозитная. Она почти на девять десятых состоит из целлюлозы, которая входит в состав обычной бумажной массы. Целлюлоза пронизана сетью углеродных нанотрубок, которые отлично проводят электричество и выполняют функции электродов. Целлюлозная матрица также пропитана неводным солевым раствором, который обладает ионной проводимостью, иначе говоря, пропускает электрические токи, переносимые свободными ионами. Вещества с такими свойствами называются электролитами. Экспериментальный материал выглядит как обычная тонкая бумага, только черного цвета – из-за обилия нанотрубок. Однако он несет все компоненты химического источника электричества – электроды, электролит и мембрану, разделяющую положительные и отрицательные ионы (в этом качестве выступает сама целлюлозная матрица). Для накопления электричества лист такой бумаги надо на время присоединить к источнику постоянного тока. После зарядки нанокомпозит способен отдавать ток в двух режимах – постепенно и почти мгновенно. В первом случае он работает в качестве электрического аккумулятора, во втором – электрического конденсатора очень большой емкости (такие устройства называют суперконденсаторами). Из отдельных бумажных накопителей электричества можно составлять электрические батареи. Новый источник тока может работать в широком диапазоне температур – от -70 до +150 градусов. Его создатели под руководством профессора Роберта Линхардта полагают, что такие устройства будут применяться как для питания небольших электронных аппаратов вроде сотовых телефонов, так и для обеспечения энергетических потребностей автомобилей и даже самолетов. Американские химики впервые превратили в стекло чистый металл. Стекло выглядит как твердое тело, но с точки зрения физики таковым не является. Это специфическое состояние вещества, которое образуется при застывании переохлажденного расплава. Выражаясь иначе, любое стекло – это перемороженная жидкость. Отсюда следует, что стекла аморфны, поскольку их атомы не образуют правильных кристаллических решеток. Стекла в принципе можно изготовлять из расплавов великого множества веществ. Однако здесь есть своя тонкость – охлаждать эти расплавы надо так, чтобы избежать кристаллизации. По этой причине получать стекловидные версии металлов очень затруднительно, поскольку металлические расплавы легко кристаллизуются. До сих пор ученым удавалось остекловать только некоторые сплавы, но не чистые металлы. Теперь этот рубеж перейден. Химики университетов штатов Аризона и Юта сообщили, что им удалось перевести в стекло жидкий германий. Произведя сложные компьютерные вычисления, они подобрали такой режим охлаждения расплава этого металла под высоким давлением, который позволил избежать рождения зародышей кристаллов и оставил переохлажденный расплав в аморфном состоянии. Ученые полагают, что исследование структуры стекловидного германия принесет немало сюрпризов. Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего сконструировали и построили компьютерный дисплей с рекордно высокой разрешающей способностью. Новый дисплей скомпонован из пятидесяти пяти экранов высокой четкости – одиннадцать в длину и пять в высоту. При полном задействовании его возможностей изображение формируется посредством 220 миллионов отдельных элементов – пикселей. Это на двадцать миллионов пикселей больше, чем у работающего с 2005 года дисплея Калифорнийского университета в Ирвайне, который до сих пор держал титул мирового чемпиона по разрешающей способности. Оба супердисплея соединены линией оптической волококонной связи, которая пропускает до двух гигабит в секунду. Благодаря этому они могут работать совместно, формируя изображения, состоящие из 420 миллионов пикселей. Одним из главных направлений развития лазерной физики давно уже стало получение световых вспышек исключительно малой протяженности. Сегодняшние лазеры могут генерировать импульсы длительностью в фемтосекунды, иначе говоря, квадриллионные доли секунды. С их помощью можно исследовать многие быстротекущие процессы, например, колебания молекул и даже движение электронов. Внутри таких импульсов возникают сверхсильные электромагнитные поля, которые позволяют по-новому исследовать свойства вещества. Использование сверхкоротких импульсов расширяет возможности оптоволоконной связи и увеличивает эффективность систем обработки и хранения информации. Физики и инженеры заинтересованы в генерации сверхкоротких лазерных импульсов заданной формы. Каждый такой импульс от начала к концу складывается из множества пиков и провалов интенсивности светового излучения и потому напоминает зубья гребенки. Для управления его формой надо воздействовать на амплитуды множества таких зубцов, а это очень непростая задача. Исследователи из университета Пардью сообщили, что они впервые нашли возможность держать под контролем сразу по сто световых зубцов в каждом фемтосекундном импульсе. Чтобы добиться действительно тонкой настройки фемтосекундных импульсов, надо научиться регулировать от сотни тысяч до миллиона зубцов, а до этого еще далеко. Однако символически важный стозубцовый рубеж можно считать пройденным. Разрешающая способность любого увеличительного прибора тем выше, чем меньше длины электромагнитных волн, которые он использует для осмотра изучаемых объектов. Именно поэтому ультрафиолетовые микроскопы различают более мелкие детали по сравнению с микроскопами, работающими в видимом свете. Еще больше возможностей в этом плане открывают рентгеновские микроскопы. Они обладают и тем преимуществом, что рентгеновские лучи проникают в глубь образцов и потому позволяют получить куда больше информации об их структуре. Поэтому рентгеновские микроскопы дают возможность прощупывать толстые срезы тканей, что очень важно для биологии и медицины. В принципе с их помощью можно с непревзойденной точностью изучать внутренние структуры живых клеток и даже вирусов. Однако изготовление таких приборов – весьма непростая задача. Все микроскопы традиционной конструкции используют линзы, преломляющие и фокусирующие электромагнитные волны. Обычные микроскопы оснащены линзами из высококачественного стекла, ультрафиолетовые – линзами из кварца, сапфира и еще некоторых материалов. Рентгеновские линзы также существуют, но они очень сложны и пока не вышли за пределы научных лабораторий. Правда, промышленность выпускает зеркальные рентгеновские микроскопы, но их разрешающая способность оставляет желать лучшего. Эту трудность можно обойти, если использовать идеально согласованные по фазе рентгеновские лучи строго одинаковой частоты (такое излучение называется когерентным). С его помощью можно получить изображение объекта даже и без линз, если пропустить информацию о рассеянных лучах через специальные компьютерные алгоритмы. Но для этого надо иметь хорошие источники когерентного рентгена. Пока в этом качестве используются мощные электронные ускорители, так называемые лазеры на свободных электронах. Как только что выяснилось, это не обязательно. Сотрудники Колорадского и Калифорнийского университета, а также Национальной лаборатории им. Лоуренса экспериментально доказали, что безлинзовый рентгеновский микроскоп можно разместить даже на лабораторном столе. Чтобы получить когерентные рентгеновские лучи, они направили мощные импульсы инфракрасного лазера длиной 760 нанометров на сосуд с газом. В определенных условиях газ под действием лазерного излучения высокой интенсивности генерирует когерентные лучи, длины которых которых в десятки раз уступают длине падающего излучения. Таким способом Генри Каптейн и его коллеги получили мягкое когерентное рентгеновское излучение длиной 29 нанометров. Многократно освещая этим рентгеном исследуемый образец под разными углами, ученые восстановили его структуру с точностью до деталей протяженностью в 214 нанометров. Это степень четкости еще сильно уступает рекордной разрешающей способности в 62 нанометра, достигнутой в прошлом году на гигантском лазере на свободных электронах FLASH, расположенном в окрестностях Гамбурга. Однако экспериментаторы не сомневаются, что им удастся сильно улучшить возможности своей установки. Они полагают, что освоение созданной ими технологии когда-нибудь позволит промышленности начать выпуск компактных и сравнительно недорогих рентгеновских микроскопов, которыми смогут обзавестись сотни лабораторий. В лабораториях НАСА разработана интегральная схема, обладающая рекордной термоустойчивостью. Обычно электронные микрочипы выдерживают не более нескольких часов сильного нагрева. Новый полупроводниковый диод, созданный в Исследовательском центре имени Гленна, перекрыл этот показатель сразу на два порядка. Во время испытаний он без перерыва проработал 1700 часов при температуре 500 градусов Цельсия. Секрет такой термоустойчивости состоит в том, что в качестве субстрата использован не чистый кремний, а карбид кремния. Высокотемпературные микрочипы в первую очередь предполагается использовать в измерительных приборах, которые будут устанавливаться внутри газовых турбин, автомобильных моторов и установок для бурения нефтяных и газовых скважин. Разработчики надеются, что со временем ими можно будет оснащать и исследовательские зонды, предназначенные к отправке на Венеру, Меркурий и в окрестности Солнца. Исследователи университета Пардью усовершенствовали экспериментальный метод получения водорода, созданный под руководством лауреата Национальной медали технологии профессора Джерри Вудолла. Группа Вудолла впервые сообщила о своей разработке в мае этого года. В основе новой технологии лежит разложение воды на кислород и водород в присутствии алюминия. Такая возможность получения водорода известна с незапамятных времен, однако на практике ее очень трудно осуществить. Алюминий с легкостью вытесняет водород из воды, что не мешает нам пользоваться посудой из этого металла. Дело в том, что чистый алюминий мгновенно реагирует с кислородом воздуха и обретает защитное покрытие в виде окисной пленки. Именно поэтому мы можем помешивать стакан чая алюминиевой ложечкой, не опасаясь неприятных последствий. Однако для получения водорода вовсе не обязательно использовать чистый алюминий. Джерри Вудолл еще 40 лет назад случайно заметил, что горячий жидкий сплав алюминия и галлия при контакте с водой вызывает бурное образование водорода. Тогда этот результат его не слишком заинтересовал, поскольку для нагрева сплава требовалось слишком много энергии. Однако в ходе последующих исследований Вудолл обнаружил, что вода разлагается гораздо лучше, если ее пропускать через слой мелких твердых гранул, изготовленных из этого сплава. Оказалось, что галлий усиливает реакционную способность алюминия и к тому же препятствует возникновению оксидных пленок. Возникающая окись алюминия смывается с поверхности гранул и накапливается в отстойнике. Очень важно, что при этом не образуется никаких токсичных веществ. В течение последних месяцев профессор Вудолл и его ассистенты значительно модифицировали свой сплав. Его первая версия на 72% состояла из галлия и всего на 28% из алюминия. Теперь он содержит 80% алюминия и 20% галлия, а потому гораздо лучше разлагает воду. По мнению Вудолла, автомобили уже в близком будущем можно будет заправлять обычной водопроводной водой, которая затем будет поступать в водородный газогенератор. По его расчетам, общий вес алюминиево-галлиевых гранул, обеспечивающих горючее для легкового автомобиля среднего размера, не превысит 150-160 кг. Правда, в настоящее время полученный таким образом водород еще не в состоянии соперничать с бензином из-за дороговизны галлия и алюминия. Однако Вудолл полагает, что при увеличении спроса на эти металлы промышленность сможет сильно снизить стоимость их производства. Вудолл также отмечает, что современные технологии позволяют без больших затрат восстанавливать алюминий из окиси. Поэтому алюминий можно будет многократно использовать для получения водорода, который в результате окажется еще дешевле. Вудолл не сомневается, что уже через несколько лет полученное по его технологии водородное топливо сможет успешно конкурировать с бензином.