Журнал «Компьютерра» №45 от 01 декабря 2005 года

Журнал Компьютерра

Единство и борьба противоположностей

Физикам из Калифорнийского университета в Риверсайде при поддержке коллег из Иллинойса и Университета в Осаке, Япония, возможно, впервые удалось получить молекулу позитрония - подобного водороду газа из вещества и антивещества, в котором место ядер атомов водорода - протонов занимает положительно заряженный двойник электрона - позитрон.

Атомы позитрония из электрона и позитрона ученые умели получать и ранее. Это просто идеальное топливо для гамма-лазеров будущего. Позитроний нестабилен, и электрон, аннигилируя с позитроном, превращается в высокоэнергетичные гамма-кванты. Но для лазеров необходим позитроний высокой плотности, а в плотном газе возможно образование молекул. Простейшая

из них состоит из двух атомов и похожа на молекулу водорода. Их еще ни разу не удавалось наблюдать.

Получить позитроний высокой плотности очень не просто. Ученые накопили и сжали позитроны в магнитной ловушке, а затем выстрелили мощным пучком по тонкой пленке пористого кремния с размерами пор несколько нанометров. Позитроны захватывали электроны из кремния, связывались с ними в позитроний и некоторое время существовали в порах в виде сравнительно плотного газа.

Ученые предполагали, что по мере роста плотности газа скорость его аннигиляции будет увеличиваться. Дело в том, что позитроний бывает двух видов - с нулевым и единичным спином. В первом спины электрона и позитрона направлены в разные стороны, а во втором параллельны. Позитроний с единичным спином стабильнее и живет дольше на несколько сотен наносекунд. Но столкновения таких атомов в газе могут превратить их в короткоживущую форму.

Эксперименты показали, что скорость распада растет вчетверо быстрее, чем ожидалось. По мнению авторов, это явно свидетельствует о том, что в плотном газе образуются короткоживущие молекулы позитрония. Однако нельзя исключить и то, что за наблюдаемый эффект ответственны тонкие трещины и другие дефекты материала, в которые вынужден просачиваться и быстро аннигилировать плотный газ. Только дальнейшие эксперименты с различными материалами позволят ученым надежно выяснить, станет ли уходящий 2005 год годом рождения первой искусственной молекулы из вещества и антивещества.
– Г.А.

Карандашный релятивизм

В прошлом году международной команде ученых из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке и Манчестерского университета в Великобритании впервые удалось получить качественный графен - плоский слой атомов углерода толщиной в один атом («КТ» #565). Тогда же исследователи продемонстрировали великолепные электронные свойства графена и изготовили на этой пленке быстрый транзистор. Дальнейшие исследования графена этого года привели ученых к удивительным открытиям, недавно опубликованным в журнале Nature одновременно с независимой работой другой команды из Колумбийского университета, которая их подтверждает.

Атомы углерода в графене расположены в углах правильных шестиугольников, похожих на пчелиные соты. Каждый атом связан с тремя своими соседями сильной ковалентной связью, благодаря которой графен очень прочен и химически устойчив. А один электрон из четырех валентных электронов каждого атома остается свободным, обеспечивая графену великолепную электропроводность. Но, как оказалось, это только начало перечня его удивительных свойств.

Ученые исследовали, как магнитное поле влияет на протекание электрического тока через графен при низких температурах, и обнаружили, что наблюдаемый в этих условиях квантовый эффект Холла совершенно необычен. Эффект Холла заключается в том, что в проводнике из-за отклонения движущихся носителей заряда магнитным полем наблюдается разность потенциалов, перпендикулярная текущему току и приложенному магнитному полю. При низких температурах сопротивление Холла, связывающее ток и поперечное напряжение, квантуется и может принимать лишь дискретный ряд значений, пропорциональных целым числам. В графене впервые наблюдался «полуцелый» эффект Холла, при котором обычный целочисленный ряд сдвинут на половинку. Это можно объяснить только предположив, что электроны в графене имеют нулевую эффективную массу и подчиняются релятивистским уравнениям теории относительности. Такое поведение электронов в твердом теле наблюдается впервые. До сих пор для их описания хватало обычных уравнений нерелятивистской квантовой теории. Скорость электронов в графене, как оказалось, достигает тысячи километров

в секунду, что примерно в триста раз меньше скорости света, но гораздо выше скорости электронов в любом из известных проводников.

Но самое удивительное то, что электрическая проводимость графена не падает ниже определенного минимального значения, даже если в нем уже практически отсутствуют носители заряда. Во всех других материалах проводимость в этом случае стремится к нулю. Этот эффект, на первый взгляд, совершенно противоречит здравому смыслу, а измеренная величина минимальной проводимости графена еще ждет объяснений теоретиков.

Трудно сказать, какие еще сюрпризы преподнесет нам графен, если уже первый год его изучения привел к таким поразительным результатам. Открытие в 1980 году квантового эффекта Холла было отмечено двумя Нобелевскими премиями. Он нашел массу разнообразных приложений, в том числе, и при исследованиях полупроводников. Судя по этому уже ясно, что такой набор необычных свойств графена позволит в будущем изготовить на его основе множество принципиально новых электронных устройств для самых разнообразных применений.
– Г.А.

Углеродная перина

Новый похожий на пену материал с удивительными свойствами удалось получить из углеродных нанотрубок американским исследователям из университетов Флориды, Гавайев и Ренселлеровского политехнического института. Нанопена чрезвычайно гибка, хорошо дышит, в пятьсот раз прочнее лучшей пенорезины и пенополиуретана, выдерживает высокую температуру, длительные механические воздействия и агрессивную химическую среду.

Новый материал был открыт, как это часто бывает, совершенно случайно. Ученые пытались сжать мат из нанотрубок в тонкий лист, но обнаружили, что он упорно восстанавливает свою первоначальную форму. Многослойные нанотрубки мата были получены из ксилола в печи при 800 градусах Цельсия при помощи катализатора на основе железа. Рассмотрев новый материал с помощью электронного микроскопа, ученые обнаружили, что нанотрубки, по неясным пока причинам, изгибаются при сжатии регулярными волнами. Их можно сравнить с бамбуковым лесом, высота которого будет более километра. Лес, примятый ногой гиганта, сжимается до высоты двести метров, образуя по 60-70 регулярных изгибов на каждом стволе.

Размеры изгибов зависят от диаметра и числа атомных слоев нанотрубки. Управляя этими параметрами, можно получать нанопену с различными механическими свойствами. Новый материал очень легок, поскольку почти на 90% состоит из воздуха. Он прекрасно подходит для изготовления различных демпфирующих слоев и в качестве основы для всевозможных композитных материалов.

Из углеродной нанопены получилась бы прекрасная набивка для мягких диванов и спортивного снаряжения, а также надежная упаковка, но пока она стоит слишком дорого. Сейчас ученые активно изучают электрические свойства нанопены и пытаются изготовить аналогичный материал из углеродных нанотрубок с толщиной стенок в один атом. Поскольку нанотрубки хорошо проводят электрический ток, такой материал, по всей видимости, идеально подойдет для изготовления надежных и гибких контактов в различных электронных устройствах.
– Г.А.

Толкнименятянитебя

Так (рushmepullyou) назвали концепцию нового плавающего мини-робота ученые из Технологического института в Хайфе, Израиль. По утверждению авторов, их конструкция не только гораздо эффективней всех известных схем перемещения нанороботов, но даже бактерии и другие микроорганизмы, использующие для перемещения жгутики или реснички, будут оставлены далеко позади.

Динамика течения жидкости устроена так, что при очень малых размерах объекта силы вязкого трения начинают значительно преобладать над силами инерции. Поэтому перемещение нанороботов даже в текучей воде становится подобно медленному движению предметов привычных размеров, например, в густом меде. С одной стороны, это упрощает задачу конструирования нанороботов (не нужно учитывать инерцию), но, с другой, делает почти бесполезной обычную инженерную интуицию. Может статься, что самые необычные наноконструкции окажутся эффективными пловцами.