Придуман новый способ измерения сверхмалых масс
19.12.2005. Освітній портал
Доктор М. Рукс (M.Roukes) и его коллеги из Калифорнийского технологического института в США разработали методику измерения сверхмалых масс. Об этом сообщает журнал "Успехи физических наук".
Методика основана на сдвиге резонансной частоты микроскопического осциллятора при увеличении его массы. Сдвиг частоты заметен при поглощении осциллятором 30 атомов ксенона, что по массе составляет семь умноженное на десять в минус
двадцать первой степени грамма (7Х10^(-21)).
В 2000 году эти же ученые уже установили подобный рекорд. Пять лет назад Майкл Рукс и его коллеги измерили массу сверхмикроскопической "пылинки" золота, состоящей всего из нескольких тысяч атомов. Эта величина оказалась равна примерно десяти в минус восемнадцатой степени
грамма (одной миллионной части миллиардной доли миллиграмма).
Весами служила вибрирующая пластинка кремния длиной в 0,01 мм и толщиной 260 нанометров. Когда на кончик пластинки поместили золотой "груз", частота ее колебаний несколько снизилась, что и удалось зарегистрировать с помощью специальной аппаратуры.
Сотовые сети непроизвольно измеряют осадки
05.05.2006. Мembrana
Исследование, выполненное Хагит Мессер (Hagit Messer) и её коллегами в университете Тель-Авива (Tel Aviv University), показывает, что возможно измерять активность осадков, всего лишь анализируя колебания сигналов от
базовых станций сотовой связи. Учёные полагают, что при использовании той информации, которая и так уже собирается операторами мобильной связи, можно составлять намного более полные погодные модели.
Это — известное явление: дождь может затронуть устойчивость связи в сотовых сетях, так как капельки в воздухе уменьшают силу сигнала. Причём капельки различного размера влияют на определённые частоты в сигнале. Базовые станции сейчас
даже автоматически дают компенсацию в мощности при ослаблении сигнала из-за атмосферных условий.
Теперь Мессер показала, что эта компенсация может дать полезную информацию для метеорологов. Используя запись колебаний силы сигнала, определённой при запросах, посылаемых между базовыми станциями, группа была в состоянии вычислить силу дождя каждые 15 минут в течение
ливня. Эти данные, как оказалось, хорошо согласовывались с прямыми измерениями тех же осадков, выполненными в Тель-Авиве и Хайфе. А это значит, что такие записи могут дать более точную, оперативную и обширную информацию о дождях на больших пространствах.
"Надежда теперь лишь на то, что компании сотовой связи согласятся расстаться с этими данными, не получая от них прибыль", — говорит Хагит. Тем временем её группа модифицирует метод, чтобы научиться по сигналам сотовой связи различать различные типы осадков: дождь, снег
или град.
Физики создали луч света с отрицательной скоростью
12.05.2006. Освітній портал
Роберт Бойд (Robert Boyd), профессор оптики из университета Рочестера (University of Rochester, США), сумел придать пучку света "отрицательную" скорость, при которой пик импульса двигался не от источника, а к нему.
Бойд сумел изготовить среду, в которой скорость горба импульса была отрицательной - то есть, направленной к источнику излучения. Для этого "чуда" Бойд применил оптоволокно, легированное эрбием. Импульс, выходящий из лазера, он делил на две части. Один луч направлялся в
то самое экспериментальное волокно, а второй посылался к концу установки без помех. Второй луч служил в роли репера, для сравнения.
Выяснилось, что само волокно, фактически, генерирует горб на дальнем своём срезе, когда первые порции фотонов из ведущего фронта лазерного импульса, предшествующего пику, достигают его.
Но самое любопытное заключалось в другом открытии - одновременно с посылкой горба импульса вперёд, дальний конец волокна создавал второй горб-близнец, который распространялся в обратном направлении, добегая до начала опытного волокна как раз к моменту, когда исходный
оригинальный импульс только лишь входил в него.
Математики Великобритании обосновали невидимость
12.05.2006. Освітній портал
Есть такая теория, что двигателем прогресса является научная фантастика. Факт в том, что она явно влияет на умы учёных, которые претворяют в реальность описанное в книгах. Так исследователи Никорович и Мильтон из Великобритании математически обосновали возможность
существования так называемого "щита невидимости", который используется в фантастических новеллах, чтобы скрывать космические корабли.
Невидимость вполне возможна при участии суперлинзы - материала с отрицательным коэффициентом преломления - и эффекта "аномального локализованного резонанса". Падающий и рассеивающийся на объекте свет, таким образом, резонирует с находящейся рядом суперлинзой и
преломляется так, что объект становится скрытым от посторонних глаз.
Модель пока находится в стадии разработки, и учёные пока делают невидимым лишь пыльное облако, а не космический корабль. Однако, как они утверждают, на больших объектах принцип будет работать точно также.
Физики
решили одну из проблем ядерного синтеза
22.05.2006. Мembrana
Нестабильное состояние плазмы на её внешних границах (так называемые потоки edge localised modes — ELM), в токамаках — реакторах ядерного синтеза — это одна из главных проблем, препятствующих таким устройствам превратиться в рентабельные источники энергии. Теперь
исследователи под руководством Тодда Эванса (Todd Evans) из американской компании General Atomics решили эту проблему.
Огромные камеры в форме пончика, в которых при помощи системы магнитных полей удерживается горячая плазма, в будущем могут стать основой энергетических реакторов ядерного синтеза. Такие потоки, несмотря на ограждающее
магнитное поле, вызывают ускоренную эрозию стенок реактора, из-за чего их придётся довольно часто менять. А это — колоссальные расходы, ставящие под сомнение дешевизну энергии синтеза. К тому же, материал со стенок загрязняет плазму, снижая эффективность реактора.
Новая работа, выполненная в General Atomics, показывает путь решения проблемы: оказывается, дополнительное маленькое резонансное магнитное поле, вырабатываемое специальными катушками, расположенными в реакторе, создаёт "хаотическое" вмешательство
на краю плазмы, которое мешает формироваться потокам, способным разрушать стенки.
Огромным шагом на пути к электростанциям ядерного синтеза должен стать крупнейший в мире токамак — ITER, возводимый сейчас во Франции совместными усилиями Евросоюза, Индии, Китая, Южной Кореи, России, США и Японии. Этот
термоядерный реактор, пусть ещё не промышленный, а экспериментальный, должен впервые продемонстрировать работоспособность и оправданность технологии. Если удастся решить ряд технических проблем. ELM — одна из них.
Сейчас на работу таких экспериментальных машин уходит больше энергии, чем её получается в результате синтеза ядер.
Подтверждено существование 112-го химического элемента таблицы Менделеева
30.05.2006. Освітній портал
Ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне (Московская область, РФ) сообщили об уникальных результатах опытов, которые проведены на ускорителе тяжелых ионов в лаборатории ядерных реакций имени Флерова в период с 5 по 28 мая 2006 года. В опытах
химическим путем подтверждено существование 112-го элемента Периодической таблицы Менделеева.
Кроме того, это открытие одновременно служит подтверждением синтеза более тяжелых элементов - 114 и 116. Со школы мы помним: самый легкий - водород, самый тяжелый - уран. Нобелевский лауреат Нильс Бор предсказал: элемент 104 - последний в Периодической таблице. За ним
время жизни элементов настолько мизерно, что говорить о стабильной материи бессмысленно.
В Дубне подсчитали, что, начиная с элемента 114, в Периодической таблице должны существовать островки стабильности, где время жизни элементов столь же велико, как для привычного железа. Эти островки ищут ученые всего мира. Четыре года назад в Дубне удалось в физических
экспериментах получить по 1-2 ядра сверхтяжелых элементов 112, 114, 116 , а затем в Германии - только 112. Но открытие будет признано, если его удастся доказать независимым путем, лучше всего - в химической реакции, где время жизни атомов достаточно велико.
В Дубне, в лаборатории, которой руководит академик Юрий Оганесян, впервые в мире удалось выйти на остров стабильности химическим маршрутом. Мишень из плутония-242 облучалась ускоренными до 0,1 скорости света ионами кальция-48. В
реакции образовывался изотоп элемента 114 и проникал в камеру со смесью гелия и аргона при атмосферном давлении. Через полсекунды изотоп после альфа-распада превращался в изотоп элемента 112 (химический аналог ртути), который газовой струей переносился в новую криогенную
камеру с золотыми детекторами, на которых были зарегистрированы распады ядер элемента 112.
Как разъяснил академик Юрий Оганесян, похожий эффект использовали мастера в старину, когда золотили купола: покрывали их ртутью, а затем наносили на нее листы золота, которые прилипали намертво, на века.
Открытие сверхтяжелых элементов на острове стабильности - отнюдь не отвлеченная задача сродни поиску ангелов на кончике церковного шпиля, чем баловались средневековые ученые. Можно говорить о новых неизвестных формах материи. Если существуют "магические" сочетания
протонов и нейтронов, если островки стабильности уходят за пределы мыслимого, если в природе имеются элементы с атомным весом 300 или 500, это революция в мироздании.
Время жизни атома элемента 114 - полсекунды, фантастически долго по ядерным меркам. Нельзя исключить, что на Земле в свободном состоянии существуют не найденные пока сверхтяжелые элементы. В это верил еще академик Георгий Флеров, сумевший убедить Сталина в необходимости
работ над атомной бомбой.
Когда будут исчерпаны запасы не только нефти и газа, но и урана, энергия сверхтяжелых элементов способна навсегда решить энергетические проблемы человечества. Критическая масса плутония - 20 кг, у сверхтяжелых элементов она меньше миллиграмма.
Молекулярный холодильник
Компьютерра №22 14.05.2006.
Два физика-теоретика, Крис Ван ден Брок (Chris Van den Broeck) из университета Хассельта в Бельгии и Райочи Каваи (Ryoichi Kawai) из Алабамского университета в Бирмингеме, сильно озадачили специалистов, предложив удивительную холодильную машину, которая использует
хаотическое броуновское движение молекул. Такую машину, по крайней мере в принципе, можно построить с помощью нанотехнологий, и не исключено, что она пригодится для охлаждения наноэлектроники будущего.
В позапрошлом веке великий английский физик Джеймс Клерк Максвелл поставил всех в тупик, предложив простой мысленный эксперимент, который нарушает второе начало термодинамики. Этот фундаментальный закон природы утверждает, что тепло может передаваться только от горячего
тела к холодному или что энтропия, мера беспорядка в системе, может только возрастать. Второе начало задает одно направление развития событий во времени и противоречит не менее фундаментальной обратимости законов механики. И это противоречие до сих пор не нашло
объяснения.
Чем горячее газ, тем выше средняя скорость хаотического движения его молекул, но все же скорость у всех молекул разная. Максвелл придумал гипотетическое существо, названное позже Демоном Максвелла, которое открывает заслонку в перегородке в баллоне с газом, если сверху к
заслонке подлетела быстрая молекула, и закрывает, если молекула летит медленно, и наоборот, если молекула подлетает к заслонке снизу. Так можно быстрые молекулы отделить от медленных, то есть нагреть газ в нижней половине баллона и охладить в верхней, а потом на этом
перепаде температур запустить тепловую машину. Таким образом, Демон Максвелла реализует вечный двигатель.
С тех пор несколько поколений ученых пытались доказать, что Демона Максвелла в природе не существует и никакое устройство не сможет выполнить его незамысловатую работу. И сегодня, когда экспериментаторы научились работать с отдельными молекулами, эти попытки начинают
приносить плоды.
Ранее учеными был предложен молекулярный мотор, который непосредственно преобразует броуновское движение молекул газа в механическую работу. Мотор
в простейшем случае состоит из стержня, пронизывающего перегородку между емкостями с газами, к которому снизу присоединено колесо с плоскими лопатками, а сверху - с клиновидными (см. рис.). Снизу находится горячий газ, а сверху холодный. Горячие молекулы, сталкиваясь с
плоскими лопатками, будут толкать колесо в разные стороны случайным образом. Но верхнему колесу с клиновидными лопатками, которые постоянно бомбардируются молекулами холодного газа, в среднем легче поворачиваться в сторону острого конца клина. И после многих соударений
колесо начнет крутиться в одну сторону, попутно охлаждая горячий и нагревая холодный газ. Клиновидные лопатки и верхний газ просто играют роль храповика, который задает одно направление вращения колеса в целом. Вот молекулы нижнего газа и вынуждены крутить колесо в этом
направлении, стукаясь о плоские лопатки. Броуновские моторы в разных формах уже были реализованы несколькими группами экспериментаторов. Например, в этом году броуновский мотор был сделан в Университете Уми в Швеции с помощью холодных атомов в оптической решетке.
Но тепловая машина, преобразующая разность температур в механическую работу, может работать и в обратном направлении - как тепловой насос или холодильник, если к ней приложить механическую работу. Именно это и предложили теоретики. Если колесо на рисунке принудительно
крутить в направлении тупого конца клина, то оно будет охлаждать верхний газ и нагревать нижний. Как именно это происходит, на языке молекулярных столкновений совершенно не очевидно, но холодильный эффект точно предсказывают неумолимые законы термодинамики. Более того,
ученые выполнили компьютерное моделирование устройства методами молекулярной динамики, и результаты расчетов точно совпали с теорией. И хотя теоретиков обычно не очень заботит практическая реализуемость их предложений, ученые продумали, как их устройство можно
реализовать на молекулярном уровне с помощью мембран и хиральных биологических молекул. А в наномоторах сегодня уже нет недостатка.
Пока броуновский холодильник не слишком эффективен. Но, возможно, его иная реализация будет вполне конкурентоспособна. Ведь наноэлектронике наверняка понадобятся и кулеры соответствующих размеров.
1 оглавление