В мире науки

 

Предложен материал, сильно изменяющий свою структуру под действием магнитного поля:

331

Включения нанометрового размера могут обеспечить значительный отклик материала на воздействие внешнего магнитного поля.

 

Ученые – материаловеды всегда ищут способы преобразования одного вида энергии в другой, в частности, с помощью внутреннего строения объектов. Похоже, теоретики предложили еще один материал, хорошо отвечающей этой задаче. По их мнению, материал, содержащий наноразмерные области с атомами различного строения, мог бы реагировать на магнитное поле, изменяя форму до 100 раз активнее, чем традиционные материалы. Эти и аналогичные структуры, «чувствительные» к другим полям, могли бы использоваться в сенсорах полей или движущихся механических устройствах.

Трансформируемые при помощи электромагнитных полей материалы, например пьезоэлектрики, преобразующие механические колебания в электрические сигналы, работают на атомарном уровне. Сжатие и растяжение кристалла смещает положительно и отрицательно заряженные ионы в пределах каждой элементарной кристаллической структуры, создавая поляризацию, которая приводит к возникновению электрического напряжения. Этот эффект используется, например, в звукоснимателях акустических гитар для обнаружения колебаний. Пьезоэлектрические материалы показывают и обратный эффект - преобразуют электрические поля в механическое движение. Некоторые материалы могут работать аналогичным образом с магнитным полем, превращая энергию поля в механическое движение и наоборот. Однако эффект, связанный с магнитным полем, обычно невелик.

Последнее десятилетие научные группы по всему миру были заняты изучением материалов, которые обеспечили бы намного больший отклик за счет внутренних структурных изменений. Самый известный пример такого материала состоит из элементарных кристаллических структур, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, где одна сторона имеет много большую длину, чем другие две.

Обычный кристалл чаще всего состоит из отдельных доменов с различной ориентацией продольной оси. Магнитное поле может немного изменить форму доменов, лучше всего выровненных относительно направления этого поля. Соответственно, изменяется форма и тела в целом.

Но у материалов, изменяющих форму под действием магнитного поля, есть две главные проблемы: во-первых, это внешняя сила со стороны других доменов, которая препятствует расширению; во-вторых, при движении друг относительно друга домены испытывают сопротивление, т.е. в общем случае «отклик» материала на некое воздействие зависит от всей предыдущей истории кристалла.

Для решения этих проблем группа ученых из Rutgers University (США) предложила включить в состав материала частицы нанометрового размера, изменяющиеся под воздействием полей, «закрепленные» внутри твердой матрицы, не испытывающей искажения. Подобный нанокомпозитный материал может сформироваться спонтанно, например, когда некий металлический или керамический сплав нагревается и некоторые его компоненты объединяются в кластеры с химическим составом, отличным от окружающей среды. Каждая такая частица достаточно мала, чтобы содержать один домен; кроме того, ее магнитная ось может быть легко изменена при помощи внешнего магнитного поля.

В работе ученых, опубликованной в журнале Physical Review Letters, приведен расчет для такой двухкомпонентной смеси. Согласно проведенным вычислениям, подобный нанокомпозит может показывать значительный отклик на внешнее магнитное поле, вне зависимости от предыдущей истории воздействий. По мнению исследователей, подобный эффект уже мог быть замечен на эксперименте, но их теоретическая работа поможет поиску реальных материалов с нужными свойствами.

463

Мыльные пленки имеют память

5532

Для лучшего понимания процессов, происходящих в пенистых веществах, ученые наблюдали формирование мыльной пленки на проволочном каркасе.

 

Пузырь имеет сферическую форму, но произвольный каркас из проволоки, опущенный в мыльный раствор, может производить и другие формы пленок. Последние исследования научной группы из Бельгии показали, как именно изменяются эти формы при непрерывном изменении «несущего каркаса». Как оказалось, трансформации зависят от первоначальной формы пленки, как будто пленки помнят свою историю.

Мыльные пленки искажаются, если это позволяет уменьшить их потенциальную энергию. Обычно минимизация энергии связана с уменьшением площади поверхности пленки.

Около 30 лет назад ученые обнаружили, что для некоторых трехмерных структур существует более чем одна разновидность пленки. Самый простой пример такой структуры – треугольная призма, верхняя и нижняя грани которой – равносторонние треугольники, а три вертикальные грани – прямоугольники. Мыльный раствор образует пленку, которая изначально тянется к центру от каждого из девяти углов, формируя три вертикальные плоскости и пару треугольных пирамид, направленных «навстречу» друг другу. То, как пирамиды «встречаются» в центре зависит от размеров изначальной призмы.

Расчеты показывают: если высота призмы больше примерно половины стороны треугольника, лежащего в основании, пирамиды из мыльной пленки соединяются посредством одной линии; но если отношение высоты к стороне треугольника менее 0,4, то в точке слияния пирамид окажется горизонтальный треугольник. В промежутке между этими «крайними» состояниями, пленка может быть в любой конфигурации. Очевидно, что только у одного из состояний будет наименьшая площадь поверхности, но может найтись другое состояние, которое окажется метастабильным по отношению к небольшим изменениям внешних условий, т.е. энергия этого состояния будет меньше «соседних» состояний.

Ранее для наблюдения переходов между различными метастабильными состояниями в случае с мыльным раствором, ученые просто дули на образец. Чтобы исследовать поведение пленки, не применяя внешние воздействия, группа ученых из University of Liege (Бельгия) создала призму, размеры которой можно непрерывно изменять прямо во время эксперимента. С ее помощью они наблюдали весь путь перехода от одного стабильного состояния (описанного выше случая с линией) к другому (с треугольником) и обратно.

Эксперимент показал, что при сокращении высоты призмы переход в конфигурацию с плоским треугольником происходил примерно при отношении высоты к стороне основания равном 0,44. Но переход в обратную сторону «запаздывал» до уровня 0,52. Это показывает, что система обладает своего рода «памятью» о своем предыдущем состоянии, т.е. в данном случае проявляется гистерезис. Подобные явления и ранее наблюдались на мыльных пленках, но проведенное исследование – первое, где трехмерная система была полностью охарактеризована.

Ученые вычислили потенциальную энергию каждого из состояний; было выяснено, что она зависит от характерных размеров призмы (упомянутого выше отношения высоты к стороне основания), а также от размеров треугольника или линии, соединяющей призмы из пленки в центре структуры. График изменения потенциальной энергии демонстрирует две потенциальные ямы, соответствующие двум стабильным состояниям. Если система, находящаяся в одном из этих состояний, начинает испытывать изменения, она оказывается «пойманной в ловушку», пока энергия не достигнет определенного уровня, при котором возможен «перескок» на другое состояние.

Исследователи видят связь своего простого примера со сложными метастабильными состояниями в пенистых материалах, а также твердых веществах, используемых для изоляции и упаковки. По их мнению, проведенные исследования помогут лучше понять макроскопические свойства этих веществ.

677471

Релятивистские эффекты в быту

5436

Шведские ученые обеспечили подтверждение того, что релятивистская теория работает даже в обычном автомобиле.

 

Совершенно не обязательно иметь космический корабль, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, чтобы воочию наблюдать релятивистские эффекты. Как показано в теоретической работе шведских ученых, опубликованной в журнале Physical Review Letters, релятивистские эффекты можно наблюдать даже в самом обычном свинцово-кислотном автомобильном аккумуляторе. Именно релятивистские эффекты, возникающие за счет электронов, достаточно быстро движущихся в атомах свинца, являются источником порядка 80% напряжения на клеммах такого аккумулятора. Также исследование объясняет, почему оловянно-кислотные аккумуляторы, в отличие от кислотно-свинцовых, не работают, несмотря на очевидное сходство олова и свинца.

Как правило, электроны вращаются вокруг ядер атомов со скоростями много меньшими скорости света, поэтому при описании атомных свойств зачастую релятивистскими эффектами просто пренебрегают. Но известны исключения из этого правила, в список которых входят наиболее тяжелые элементы периодической таблицы Менделеева. Чтобы противостоять огромной массе ядер таких атомов, их электроны должны двигаться по орбитам со скоростями, близкими к скорости света. При этом, согласно теории относительности, электроны ведут себя так, как будто бы имеют большую массу, т.е. для сохранения углового момента их орбиты должны сжиматься в размерах по сравнению с более медленными электронами. Это сокращение наиболее явно выражается в случае сферически-симметричных s-орбиталей тяжелых элементов. Кстати, этот факт объясняет, почему золото имеет желтоватый оттенок, а ртуть является жидкостью при комнатной температуре.

Существует несколько теоретических работ, в которых изучались особенности кристаллической структуры свинца с точки зрения релятивистских эффектов. Но до сих пор влияние быстрых электронов слабо рассматривалось в ракурсе электрохимических свойств тяжелых элементов.

Один из первых шагов в этом направлении был сделан в недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters работе. Группа шведских ученых из Uppsala University начала изучение одной из самых простых форм «свинцовой химии»: свинцово-кислотных аккумуляторов. Технология их производства насчитывает уже 150 лет отроду и основана на ячейках, состоящих из двух пластин из свинца и его двуокиси, погруженных в серную кислоту. В результате химической реакции, свинец и двуокись свинца преобразуются в сульфат свинца, при этом между пластинами образуется разница потенциалов в 2,1 В. Безусловно, теоретические модели такой батареи существуют. Но шведские ученые были первыми, кто применил к этой модели один из фундаментальных законов физики. Для вычисления разности потенциалов на клеммах такой ячейки, научная группа посчитала разность энергий электронных конфигураций реагентов и продуктов. Отдельно была рассчитана энергия состояний кислоты. В результате исследований выяснилось, что примерно 1,7 В каждой ячейки (т.е. 10 В из 12 В автомобильного аккумулятора) вызваны именно релятивистскими эффектами.

По утверждениями авторов работы, без этих эффектов свинец действовал бы примерно также, как олово, обладающее тем же числом электронов на наиболее удаленных s- и p-орбиталях. Но олово имеет всего 50 протонов, а у свинца их 82, т.е. релятивистское сокращение наиболее дальней s-орбитали олова намного меньше. Таким образом, моделирование показало, что гипотетическая оловянно-кислотная батарея не была бы рентабельна из-за слишком малого напряжения на клеммах. Ранее исследователи имели только качественное понимание объяснения этого факта, теперь же им предоставлены количественные подтверждения.