Юный техник, 2012 № 07 - Журнал «Юный техник»

Многие материалы с ультранизкой плотностью получаются на основе углеродных нанотрубок и металлической пены. Но это случайные структуры, пояснил Шедлер. Новая структура состоит из правильно, регулярно расположенных, пересекающихся металлических трубок микроскопических размеров.

Подыскивая наглядный пример, исследователь сравнил свое детище с… Эйфелевой башней. Высокую жесткость при относительной легкости ей обеспечила строго продуманная конструкция. «Почему бы не применить достижения архитекторов больших строений к материаловедению?» — рассуждает ученый. Он надеется, что его изобретение приведет к появлению нового подхода к созданию наноструктур, которые позволят получать материалы со свойствами, сильно отличающимися от свойств элементов периодической таблицы.

Сложность создания нового материала заключалась в том, чтобы создать решетку из взаимосвязанных пустотелых трубок, имеющих толщину стенки около 100 нанометров, — рассказал Уильям Картер, руководитель группы конструкционных материалов HRL Laboratories. Трубки соединены между собой в узлах решетки.

А сам материал изготавливается путем нанесения никель-фосфорного покрытия на аккуратно подготовленную полимерную микрорешетку. Получается ажурная, легкая, но при этом очень прочная конструкция.

При испытаниях новый материал проявил свойства, которых не ожидали даже его создатели. Будучи, по сути, металлом, он обладает особыми механическими свойствами. При надавливании на «сетку» трубки не ломаются, и конструкция, словно резиновая, возвращается к своей первоначальной форме даже после сжатия более чем на 50 %. К тому же материал способен хорошо поглощать энергию удара или вибраций.

Ученые создали новый материал по заказу Научно-исследовательского агентства Пентагона (DARPA) и подготовили несколько версий своей металлической микрорешетки. Вероятно, она найдет применение в качестве электродов аккумуляторных батарей, а также будет использована как амортизатор, защита от акустических волн и вибраций в аэрокосмической промышленности.

Структура сверхлегкого материала под микроскопом.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

Если увеличить атом…

Классическая механика описывает движение больших объектов, таких как планеты, звезды и галактики. Но для описания поведения таких микроскопических объектов, как атомы и субатомные частицы, требуются совершенно иные законы — законы квантовой механики.

Это очевидно. Однако что может произойти, если атом искусственно сделать достаточно большим для того, чтобы его электроны вели себя аналогично планетам, вращающимся на орбите вокруг Солнца. Ученые-физики провели эксперимент и заставили гигантский атом вести себя подобно крошечной планетной системе.

В начале XX века нобелевский лауреат, знаменитый датский физик Нильс Бор, предложил такую наглядную модель атома. Он предположил, что атом в некоторой степени схож с нашей Солнечной системой: вокруг светила-ядра вращаются по своим орбитам-уровням планеты-электроны.

Потом это представление неоднократно пересматривалось и усложнялось. В частности, внутри ядра были обнаружены протоны и нейтроны, а сами электроны, как оказалось, вовсе не представляют собой некие точечные образования, подобные твердым телам-планетам.

Но возвращаются миры на круги своя. Никто ведь никогда не видел атом воочию, а потому и не знал, как он на самом деле выглядит. Выяснить это взялись недавно ученые из университета Райс, США. Но поскольку современная техника все еще не позволяет разглядеть строение атома во всех деталях, исследователи решили… увеличить его размеры.

Идет эксперимент по накачке атома энергией с помощью лазера. Фото вверху: так выглядит атом при первом приближении.

Для этого они взяли один-единственный атом калия и накачали его электроны энергией с помощью ультрафиолетового лазера. При этом электроны перешли на столь высокие энергетические орбиты, что размер атома увеличился в 100 000 раз по отношению к его нормальному состоянию.

При этом электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны вести себя, как планеты крошечной солнечной системы, подчиняясь законам классической ньютоновской механики, предположили физики. Правда, отследить перемещения каждого электрона в отдельности они пока не смогли, но о его энергии, скорости и положении можно судить и по косвенным показателям — например, по волновой функции электрона, которая называется волновым пакетом.

Использовав радиоизлучение с вращающейся поляризацией, исследователи стали как бы кадр за кадром фиксировать движение электрона вокруг атома.

В следующих экспериментах они попробуют «запустить» на различные высокие орбиты вокруг ядра одновременно два волновых пакета электронов, что позволит им смоделировать более сложную «планетную систему».

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ

Повелители мух

У роботов три недостатка: они дороги, сложны и слишком велики. Несмотря на все успехи нанотехнологий, собирать крохотных и при этом эффективных роботов человек еще не научился. Тогда почему бы нам не воспользоваться «наработками» природы?

Ученые и инженеры ныне занимаются созданием животных-киборгов, поведение которых можно контролировать. Наиболее продвинулись они в управлении насекомыми.

Представители этого класса интересны хотя бы тем, что умеют ползать, бегать (некоторые даже на двух ногах), плавать и летать. При этом они невелики по размерам и очень эффективно расходуют энергию.

Работы по созданию киберкопий насекомых начались довольно давно, в 80-х годах XX века. Ученые и инженеры Массачусетского технологического института построили в то время аппарат Ghenhis. В 2001 году здесь же был создан робот, напоминающий таракана; он мог довольно быстро двигаться даже по неровным поверхностям.

Еще быстрее, чем тараканы, перемещаются летающие насекомые. Об этом исследователи тоже не забыли. На протяжении последних десятилетий они ведут изучение проблем машущего полета и управления им. Они хотят понять, благодаря чему, например, плодовые мушки-дрозофилы способны летать с недостижимыми пока для созданных человеком систем точностью и эффективностью.

Так, один из наиболее совершенных ныне роботов-насекомых — крошечный летающий аппарат Deify Micro, весящий 3 г, — может провести в воздухе всего три минуты из-за батарейки, которая составляет треть его веса.

В общем, похоже, что легче научиться управлять живыми летательными аппаратами, чем строить самим, — задумались они.

В 1993 году немецким исследователем Д. Кутшем и его коллегами была разработана система весом всего 0,42 г, которая передавала по радио электромиограмму — сигнал активности отдельной мышцы насекомого. Затем ученые добавили еще один радиоканал для считывания мозговой активности и в итоге получили важные данные по взаимодействию мышц и рецепторов во время полета.

Оставалось на основе полученной информации разработать алгоритмы управления активностью тех или иных мышц, чтобы управлять полетом насекомого по своему усмотрению.

Для этого разные группы ученых используют разные способы и оборудование. Так, команда Калифорнийского университета в Беркли, возглавляемая Хиротаки Сато, применяет 8-канальную радиосистему под управлением микроконтроллера. Применение керамических антенн позволило добиться малого размера и веса конструкции.

Команда, возглавляемая Алпером Боцкуртом из университета Северной Каролины, применяет двухканальную систему, включающую АМ-приемник собственной конструкции и микроконтроллер PIC. Однако это оборудование пока настолько громоздко и тяжело, что его поднимает в воздух не само насекомое, а особый воздушный шарик, наполненный гелием.

Исследователи Массачусетского технологического института использовали чип-приемник, который работал по беспроводному протоколу 802.15.4а, потребляя при этом рекордно малое количество энергии — 2.5 милливатта (1,4 наноджоуля на один бит информации) при скорости передачи данных в 16 Мб/с. Приемник был связан с микроконтроллером, а электроды вживлялись насекомому еще на стадии куколки, и взрослая особь уже содержала в себе надежно интегрированную систему контроля.

Основная идея всех трех разработок состоит в том, чтобы использовать не только крылья и мышцы насекомого, управляя напрямую их движением, но и научиться отдавать приказы нервной системе, которая сама уже позаботится об их исполнении. Сигналы, посылаемые в мозг таким образом, контролируют полет насекомого.

Если в помещении, где летает жук Mecynorhina ugandensis из подсемейства бронзовых, выключить свет, то он тут же садится. Подобное поведение жука подсказало ученым из группы Хиротаки Сато идею управлять полетом при помощи сигналов, посылаемых в зрительную часть мозга насекомого. Разность потенциалов, подаваемая при помощи электродов к левой и правой зрительным областям жука, заставляет насекомое лететь туда, где, как ему кажется, светлее. Причем нервная система, получив сигнал к действию, дальше сама посылает команды мышцам, чтобы поддерживать полет.