Невидимый орлиным взглядом в энергичное будущее
Кварки не были разделены, фундаментальные силы не были объединены, и ни темная материя, ни темная энергия не были объяснены. На первый взгляд кажется, что прошедший год не продвинул наши знания о физических процессах и их технических приложениях. А на втором? В любом случае, 2007 год многое сделал для острой внешности и особых способов передвижения. И повод для радости был.
Исследование - это в основном вопрос видения. Пятнистого рябчика можно обнаружить только тогда, когда вы его наблюдали или даже фотографировали. На всякий случай мы не верим в воду на Марсе, пока не увидим, как она течет, или, по крайней мере, не увидим снеговика, построенного изо льда. И самое меньшее, что просят коллеги-исследователи по всему миру, чтобы обрести уверенность в измерении, - это красивая кривая, по возможности подтверждающая их собственные теории. Видение было важным шагом на пути к знаниям на протяжении тысячелетий, и поэтому видеть больше - это ворота к большему знанию.
Новая (не)видимость
Видение приобрело особое значение в мире невидимого. Атомы и молекулы имеют размеры в диапазоне миллиардных долей метра. Слишком мал для нашего мезоскопически специализированного глаза, и все же это было целью развития оптики с момента изобретения микроскопа, который больше не ограничивается светом в классическом смысле. Электроны, рентгеновские лучи и, в течение последней четверти века, даже туннелирующие электроны теперь показывают нам то, чего мы на самом деле не видим.
Хитрость этого туннелирования заключается в том, чтобы следовать сумасшедшим правилам квантовой физики и преодолеть барьер, который на самом деле непреодолим. Теоретически любой может это сделать, но с таким невероятно малым шансом на успех, что на практике только основные строительные блоки могут надеяться действительно добраться от А до классически запрещенного Б. Этот туннельный эффект известен давно, но только в апреле физики во главе с Ференцем Краусом из Института квантовой оптики имени Макса Планка опубликовали статью, в которой описывают, как они наблюдали туннелирование электронов вживую. Используя лазерный свет, они подталкивали электроны атомов неона, пока те не туннелировали, оставляя за собой ионизированные ядра.
Если туннелирующие электроны движутся по упорядоченным траекториям из-за высокого электрического напряжения, вместе с ними течет небольшой туннельный ток. В сканирующем туннельном микроскопе компьютер использует его для сканирования поверхности образца. При условии, что он проводит электрический ток - изоляторы типа органических молекул остаются неизвестными полями под современным экстремальным увеличительным стеклом. Пока в марте Амин Баннани, Кристиан Бобиш и Рольф Мёллер из Университета Дуйсбург-Эссен не опубликовали свои результаты по баллистическим туннелирующим электронам. Это те проходчики, которые проходят образец или пересекают его полностью. Проводимость теряет значение, в основном она зависит от того, где находится объект и насколько он замедляет входящие электроны. Благодаря этому, например, органические молекулы не только становятся видимыми с помощью новой сканирующей электронно-трансмиссионной микроскопии ближнего поля, но даже позволяют заглянуть внутрь них.
Команду под руководством Ренато Зеноби из ETH Zurich интересовал не чистый внешний вид молекулы, а ее химическая идентичность. Для этого лучше подходит лазерный свет, небольшая часть которого неупруго рассеивается в образце в зависимости от его структуры, что проявляется в изменении цвета. В феврале швейцарцы рассказали, как они усилили этот слабый рамановский спектр до такой степени, что можно было идентифицировать даже отдельные молекулы: они поместили образец на золотую пластину и поднесли к нему тонкий серебряный наконечник. Этого было достаточно, чтобы улавливать сигналы только из области с длиной края в десять миллиардных долей метра. И это, при тщательной подготовке, место для одной молекулы.
Крошечные размеры, однако, составляют лишь половину атомно-молекулярной пленки. Другой состоит из экстремальных скоростей. Там, где атомы реагируют, все происходит за тысячные миллиардных доли секунды (пикосекунды). Рентгеновские снимки могли бы разглядеть так же быстро - если бы вы только знали, когда начинается сюжет фильма. В феврале Дэвид Марк Фриц из Стэнфордского центра линейных ускорителей и его коллеги описали подходящую камеру для такого короткого времени. Они прикрепили к огромному ускорителю частиц электрооптический кристалл, электроны которого должны были генерировать рентгеновские лучи. По мере прохождения электроны меняли свойства кристалла, что фиксировалось лазерным лучом и сообщалось на экспериментальную установку, находящуюся в сотне метров. Беспроводной дистанционный спуск затвора, с помощью которого уже снят короткий фильм о реакции атомов висмута на стимуляцию лазерным светом. Гениальная технология, которая, видимо, только и ждет подходящего сценария.
Для разнообразия, невидимыми могут быть не образцы, а ученые. В апреле исследователи под руководством Владимира Шалаева из Университета Пердью частично проложили путь к соответствующей технологии. Продолжая работу других групп предыдущих лет, они разработали камуфляжный плащ, который просто направляет падающий свет вокруг себя. У пытливого наблюдателя это могло бы создать впечатление, что плащ и все, что под ним, просто невидимо. По крайней мере, пока комната залита только красным светом, потому что маскирующее устройство команды пока работает только на одной длине волны, которая кажется нам красной. Никакой настоящей невидимости, но хотя бы шаг в царство видимого невидимого. Модели прошлых лет работали только для микроволновых печей.
Достижения в наномасштабе
Шалаев и другие ученые своей частичной невидимостью обязаны не столько классическим оптическим материалам, сколько так называемым метаматериалам. Это на самом деле филигранные шедевры нанотехнологий. Например, камуфляжный плащ Рэда представляет собой цилиндр из тонких как бритва иголок, напоминающий расческу. С помощью мельчайших структур и резонансных цепей метаматериалы манипулируют магнитными и электрическими полями света и, таким образом, направляют его по путям, которые до недавнего времени были немыслимы. Они рассеивают падающий свет с чрезвычайно малыми или даже отрицательными показателями преломления в неправильном направлении, и именно это делает возможными маскировочные устройства.
С помощью «нанотрубок» однажды можно будет построить даже меньшие структуры, о чем в феврале сообщила международная группа исследователей во главе с Альбертом Насибулиным из Технического университета Хельсинки. С помощью железных катализаторов они создали смесь молекул фуллеренов в форме футбольного мяча и удлиненных нанотрубок из паров воды и углекислого газа. Под электронным микроскопом они имели вид палочек с твердыми пузырьками и бугорками. Определенно некрасиво, но может быть полезно однажды, когда нанотехнология будет искать различные строительные блоки.
К тому времени она снова подумает о нанобатарейке, о которой мир узнал в апреле. Чжун Линь Ван из Технологического института Джорджии и его коллеги сделали их из своего рода «гвоздевой доски» с тончайшей проволокой из оксида цинка и платиновым электродом. Как только они потрясли конструкцию ультразвуком и нанопроволоки ударились о платину, они изогнулись и преобразовали механическую энергию в электрическое напряжение. По расчетам ученых, этого пьезоэлектрического эффекта должно быть достаточно для мощности в десять микроватт на квадратный сантиметр. В будущем, конечно, когда нанобатарейки будут производиться массово и будут управлять всевозможными маленькими машинами в наших телах, которые сделают нас лучше.
Энергия на новых путях
Конфликтные климатические конференции 2007 года в достаточной степени доказали, что нам нужно очень быстро стать лучше, особенно когда речь идет об энергии. Чтобы изменить свой образ жизни как можно меньше, нам нравится цепляться за частичные решения, такие как водород в качестве источника энергии. В самом начале года три рабочие группы представили свои усовершенствования топливных элементов, в которых водород из хранилища сжигается с кислородом воздуха. Но даже если эта технология войдет в повседневную жизнь, она не решит настоящую проблему: откуда вообще должна браться энергия? Потому что даже водород на поле не растет.
Но этому способствует возобновляемое сырье, богатое углеводами. К сожалению, специально подобранные дрожжи отказываются производить более двадцати процентов спирта для автомобиля из сахаров с полей. Вместе с низкой плотностью энергии этанола это означает, что биотопливо имеет слабую конкуренцию со стороны нефтяного топлива. Поэтому в июне такие химики, как Джеймс Дьюмесик из Университета Висконсин-Мэдисон и Конрад Чжан из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, предложили химически удалить большую часть кислорода из сахара и, таким образом, разработать третий тип топлива. В несколько этапов они преобразовали глюкозу и фруктозу в соединения с вызывающими воспоминания названиями, такими как 2,5-диметилфуран и гидроксиметилфурфурол. Пластмассу можно даже синтезировать из последних, для которых сырая нефть также является исходным материалом. Это становится немного сложнее, когда мы заправляем бак, когда нам приходится выбирать между фураном и фурфуралом.
Но пока есть нефть, человечество, вероятно, будет жаждать ее. Или поручить задачу бактериям, как стало известно в декабре. Стив Лартер из Университета Калгари вместе с геологами и микробиологами выделил и изучил соответствующих одноклеточных специалистов из подземных отложений вязкого тяжелого нефтяного шлама. Они расшифровали яркий пример командной работы, когда один штамм бактерий выделяет то, что служит пищей для следующего. Процесс идет хорошо, хотя и очень медленно. Исследователи надеются, что с небольшим количеством поддерживающих питательных веществ его можно ускорить. И в награду соберите метан - или водород сразу же, если вы немного вмешаетесь в жирную биосистему.
Было бы многообещающе использовать наши собственные экологические грехи. Ведь мы с мая знаем, что плесневые грибы в Чернобыле управляют своим энергетическим балансом с помощью ионизирующего излучения. Cladosporium sphaerospermum - название образного грибка из реактора-катастрофы, который понравился исследователям под руководством Екатерины Дадачевой из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна. Он использует пигмент меланин, чтобы использовать интенсивные гамма-лучи своей среды обитания неизвестным до сих пор способом. Существуют инновационные концепции для каждого типа повреждений, которые дают неожиданные преимущества. Это вселяет надежду, не так ли?
Продвигаясь проверенным путем
Если уже слишком поздно, нам скоро придется вернуться к традиционным способам. По крайней мере, биомеханика постепенно показывает, как на самом деле работает ходьба. Или качаться. Орангутаны - мастера в этом деле, заявила в апреле Сюзанна Торп из Бирмингемского университета. Обезьяны слишком тяжелые, чтобы прыгать, и приземляться тоже не хотят. Поэтому они ловко раскачиваются взад-вперед на упругом молодом деревце, пока оно не согнется достаточно, чтобы с комфортом поменяться местами. Энергосберегающий способ добраться от дерева к дереву. Прыжки сожгли бы в два-три раза больше калорий при том же весе, а ходьба по полу в десять-двадцать раз больше.
Конечно смотрелось бы наряднее, обезьянки бы полетели. Но среди млекопитающих воздушное пространство по-настоящему завоевали только летучие мыши. В мае мы узнали от Андерса Хеденстрема из Лундского университета и его коллег, как летучие мыши вообще остаются в воздухе. Потому что полет на шкурах существенно отличается от пернатого варианта, который практикуют птицы. У поилки в туманной аэродинамической трубе исследователи устроили засаду своим длинноязычным землеройкам веерообразными лазерными лучами, захватившими каждый позвонок. Оказалось, что для успешного взмаха крыльями необходимо много координации. При движении вверх маятник должен быть наклонен и одновременно отброшен назад, чтобы не создавать прижимную силу. Метод, который был бы слишком сложным и утомительным для технических летательных аппаратов.
В отличие от того, как ходят амфибии. Робот продемонстрировал это в марте. Команда под руководством Ауке Яна Эйспеерта из группы биологически вдохновленной робототехники Федеральной политехнической школы в Лозанне заставила его маршировать по Женевскому озеру типичным извилистым шагом, при котором диагональные пары ног двигаются одновременно, и плавать, извиваясь. Все тело. Между ними нет ничего для настоящих амфибий, как желтая пластиковая копия. Именно это или/или имело значение для ученых. Таким образом, с помощью своего робота они не только имитировали движения животных, но и нейронные схемы животных. С успехом и долгосрочной целью в один прекрасный день построить роботов, которые могут выполнять различные формы движения независимо друг от друга.
Иначе Робби и его друзья оставались неподвижными, как растения. Хотя они тоже любят путешествовать, как мы знаем с мая. Ривка Эльбаум и ее команда из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка сообщили о структуре и функции остей зерен пшеницы, которые ранее считались только задачами балансировки. Испытания показали, что волокна внутри и снаружи ости расширяются и сжимаются в разной степени при изменении влажности. В результате они разрастаются в семени в сухой день и разрушаются в более влажную ночь. В промежутке времени это приводит к движению, удивительно похожему на удар ногой плавающей лягушки. И имеет соответствующий результат: в зависимости от положения семени оно немного блуждает по земле или вонзается в землю.
Даже если в 2007 году не было сенсаций, физика и техника с обезьянами, роботами и пшеничными зернами сдвинулись с места и дали некоторый толчок для дальнейших исследований. И было две особые причины для празднования: Нобелевская премия досталась немецким исследователям. Например, Герхард Эртль, физик из Института Фрица Габера в Берлине, получил Нобелевскую премию по химии за то, что заложил основы современной химии поверхностей, подробно описав ход важных химических реакций на поверхностях. Знаменитый звонок прозвучал в день его 71-летия. А Питер Грюнберг из Forschungszentrum Jülich и его французский коллега Альберт Ферт были удостоены чести за открытие магнитного эффекта, который позволяет нам сегодня иметь жесткие диски емкостью гигабайт и более. Посмотрим, что будет в следующем году.