На алмазной нити в космос
Американские физики создали первую в мире алмазную нанонить, потенциально пригодную для создания «космического лифта»
Источник - http://rusplt.ru/world/na-almaznoy-niti-v-kosmos-13021.html
Автор - Александр Телишев
Джон Бэддинг. Фото: Penn State University
Коллектив физиков и химиков из университета Пенсильвании воплотил в жизнь мечту многих инженеров, сотрудников спецслужб и шпионов - им удалось создать настоящую алмазную нанонить, представляющую собой гигантскую молекулу из колец углерода. Если ученым удастся решить проблему промышленного производства этой нити, отмечают ее создатели в журнале Nature Materials, то это откроет дорогу для создания троса для «космического лифта», сверхбыстрой электроники на алмазных проводах и других футуристических гаджетов.
«С точки зрения фундаментальной науки, наше открытие крайне интересно по той причине, что созданные нами нити обладают структурой, которую раньше никто и нигде не видел. Представьте себе, что некий ювелир-волшебник нанизал друг на друга самые мельчайшие алмазы, которые только могут существовать, и превратил их в длинное и тончайшее ожерелье. Так как эта нить является алмазом по своей природе, мы ожидаем, что она будет невероятно прочной, упругой и чрезвычайно полезной для всех сфер жизни», - рассказывает Джон Бэддинг из университета Пенсильвании, один из создателей нити.
Бэддинг и его коллеги на протяжении нескольких лет работали над решением вековой задачи, которую ставят перед собой практически все химики и физики мира - созданием углеродной нити, которая по прочности, электропроводности и всем другим параметрам не отличается от алмаза.
Изначально ученые не видели в этой проблеме ничего сложного. В начале прошлого века, когда уже были открыты десятки полимеров и были изобретены экспериментальные методики выращивания синтетических алмазов, физики и химики считали создание «алмазной нити» лишь делом техники и времени. Тем не менее, проходили десятилетия, а цельная нить из одиночной молекулы или кристалла алмаза так и не появлялась. Все попытки превратить цепочки различных углеродных молекул в алмазные нити проваливались - когда ученые сжимали их под давлением в сотни миллионов и миллиарды атмосфер, они превращались в другие виды органики или же в разные виды алмазов, которые мгновенно трансформировались во что-то иное после отключения пресса.
Физики из университета Пенсильвании и нескольких других американских университетов подошли к решению этой проблемы с другой стороны - они попытались сжать не нити полимеров, а набор из большого количества одиночных молекул бензола, одного из самых первых ароматических углеводородов, открытых человеком еще в первой трети XIX века.
С точки зрения химии, бензол является необычным органическим веществом, над точной природой и химическим устройством которого ученые ломали голову на протяжении более ста лет. Он представляет собой замкнутое кольцо из шести атомов углерода и присоединенных к ним атомов водорода, что было крайне необычным и малообъяснимым для химиков XIX века. По представлениям того времени, каждый атом углерода в бензольном кольце должен был обладать двумя, а не одним атомом водорода.
Первое правдоподобное объяснение «недостачи» водорода в молекуле бензола предложил австрийский химик Фридрих Кекуле в 1865 году, соединивший двойными связями три из шести атомов углерода. Примерно через половину столетия, когда физики разобрались с тайнами внутренней структуры атома и открыли электроны, стало ясно, что формула Кекуле не совсем соответствует действительности.
Выяснилось, что в молекуле бензола на самом деле нет двойных и одиночных связей - все «лишние» электроны, не участвующие в связях с водородом, обитают в двух облаках-«бубликах», существующих над и под углеводородным кольцом. Они возникают в молекуле бензола благодаря тому, что углерод в ней находятся в особом состоянии, которое химики и физики называют sp2-гибридизацией. Главным отличием таких атомов от нормального углерода является то, что они образуют «короткие» химические связи, которые разорвать достаточно сложно и дорого с энергетической точки зрения. Похожим образом устроен и углерод в кристаллах алмаза, находящийся в состоянии sp3-гибридизации.
Трехмерная структура алмазной нити, созданной авторами статьи. Фото: Penn State University
Как объясняют Бэддинг и его коллеги, алмаз состоит из шестиконечных колец углерода, похожих по своей форме на бензол. Это дало им основания полагать, что при достаточно сильном давлении и при других экстремальных условиях кольца бензола могут разомкнуться и соединиться друг с другом, образуя нитеобразную структуру, похожую по своим свойствам на алмаз.
Через несколько недель эксперименты с бензолом принесли потрясающие результаты. При сжатии капсулы с углеводородом до давления, превышающего атмосферное примерно в 200 раз, она превратилась в смесь из мельчайших полупрозрачных белых нитей, обладавших всеми физическими и химическими характеристиками алмазов.
«Мы обнаружили, что постепенное и достаточно медленное снижение давления после того, как была достигнута высокая точка сжатия, дает атомам углерода время на то, чтобы соединиться друг с другом и превратиться в цепочку склеенных друг с другом пирамид из атомов углерода, представляющих собой основу всех алмазов», - добавляет другой автор статьи, Малкольм Гютри из Института науки Карнеги в Вашингтоне (США), чьи слова приводит пресс-служба университета Пенсильвании.
Давление, как пишут исследователи в статье, заставляет молекулы бензола выстраиваться в линии, ломаться и распадаться на части. По мере снижения давления - этот процесс продолжается около 10 часов - фрагменты бензольных колец начинают соединяться друг с другом, образуя новые пирамидальные структуры, скрученные в своеобразное подобие тройной нити.
«Нас крайне удивило то, что подобный процесс самоорганизации вообще происходит. То, что атомы углерода в молекулах бензола соединяются друг с другом при комнатной температуре и превращаются в нить, является шокирующим фактом и для химиков, и для физиков. Учитывая предыдущие эксперименты, нам кажется, что происходит следующее. Когда молекула бензола распадается, составлявшие ее атомы пытаются зацепиться за что-то другое и при этом они не могут покинуть занимаемое место из-за того, что давление мешает им это сделать. Благодаря этому бензол становится настолько химически активным, что при снижении давления возникает упорядоченная реакция полимеризации, которая и приводит к формированию основы алмазной нити», - продолжает свою мысль Бэддинг.
Как отмечает сам пенсильванский химик, открытая его группой технология пока не готова к промышленному применению - за один прием физики могут изготовлять лишь несколько кубических миллиметров алмазной нити, чего недостаточно для большинства практических задач. Высокое давление, отмечает ученый, пока препятствует расширению производства и изготовлению длинных тросов. Эту проблему исследователи планируют решить в ближайшие месяцы и годы, наблюдая за химическими процессами, которые происходят внутри капсулы с бензолом.
По словам Бэддинга, уже сейчас можно говорить о практически неограниченном потенциале подобных алмазных волокон. К примеру, из них можно изготовлять детали в движущихся частях автомобилей, кузова, корпуса для бытовой техники и другие вещи, для производства которых сегодня используются различные пластики и сплавы. Кроме того, они могут послужить основой для сверхпрочного спасательного и военного оборудования, а также более футуристических проектов.
«Наша самая безумная мечта по использованию наноматериалов, которые мы разрабатываем на базе этого волокна - создание сверхпрочных и сверхлегких кабелей, которые сделали бы возможным создание "космического лифта", существующего пока лишь в воображении фантастов и футурологов» - повествует физик, описывая свои ближайшие планы на будущее.
Космический лифт - пока гипотетическая система сверхдешевой доставки грузов в космос, представляющая собой гигантский трос длиной в несколько сотен километров, протянутый от поверхности Земли к станции на низкой орбите. Впервые о таком способе попадания в околоземное пространство задумался Константин Циолковский, основоположник космонавтики, в 1895 году, а ее детальную концепцию разработал другой российский ученый, инженер Юрий Арцутанов, в конце 50-х годов прошлого века. Главное препятствие для создания такого лифта - пока человечеством не создан материал, обладающий достаточной легкостью и прочностью для создания многокилометрового космического троса. Бэддинг и его коллеги надеются, что им удастся решить эту проблему уже в ближайшем будущем.
Poll
Источник - http://rusplt.ru/world/na-almaznoy-niti-v-kosmos-13021.html
Автор - Александр Телишев
Джон Бэддинг. Фото: Penn State University
Коллектив физиков и химиков из университета Пенсильвании воплотил в жизнь мечту многих инженеров, сотрудников спецслужб и шпионов - им удалось создать настоящую алмазную нанонить, представляющую собой гигантскую молекулу из колец углерода. Если ученым удастся решить проблему промышленного производства этой нити, отмечают ее создатели в журнале Nature Materials, то это откроет дорогу для создания троса для «космического лифта», сверхбыстрой электроники на алмазных проводах и других футуристических гаджетов.
«С точки зрения фундаментальной науки, наше открытие крайне интересно по той причине, что созданные нами нити обладают структурой, которую раньше никто и нигде не видел. Представьте себе, что некий ювелир-волшебник нанизал друг на друга самые мельчайшие алмазы, которые только могут существовать, и превратил их в длинное и тончайшее ожерелье. Так как эта нить является алмазом по своей природе, мы ожидаем, что она будет невероятно прочной, упругой и чрезвычайно полезной для всех сфер жизни», - рассказывает Джон Бэддинг из университета Пенсильвании, один из создателей нити.
Бэддинг и его коллеги на протяжении нескольких лет работали над решением вековой задачи, которую ставят перед собой практически все химики и физики мира - созданием углеродной нити, которая по прочности, электропроводности и всем другим параметрам не отличается от алмаза.
Изначально ученые не видели в этой проблеме ничего сложного. В начале прошлого века, когда уже были открыты десятки полимеров и были изобретены экспериментальные методики выращивания синтетических алмазов, физики и химики считали создание «алмазной нити» лишь делом техники и времени. Тем не менее, проходили десятилетия, а цельная нить из одиночной молекулы или кристалла алмаза так и не появлялась. Все попытки превратить цепочки различных углеродных молекул в алмазные нити проваливались - когда ученые сжимали их под давлением в сотни миллионов и миллиарды атмосфер, они превращались в другие виды органики или же в разные виды алмазов, которые мгновенно трансформировались во что-то иное после отключения пресса.
Физики из университета Пенсильвании и нескольких других американских университетов подошли к решению этой проблемы с другой стороны - они попытались сжать не нити полимеров, а набор из большого количества одиночных молекул бензола, одного из самых первых ароматических углеводородов, открытых человеком еще в первой трети XIX века.
С точки зрения химии, бензол является необычным органическим веществом, над точной природой и химическим устройством которого ученые ломали голову на протяжении более ста лет. Он представляет собой замкнутое кольцо из шести атомов углерода и присоединенных к ним атомов водорода, что было крайне необычным и малообъяснимым для химиков XIX века. По представлениям того времени, каждый атом углерода в бензольном кольце должен был обладать двумя, а не одним атомом водорода.
Первое правдоподобное объяснение «недостачи» водорода в молекуле бензола предложил австрийский химик Фридрих Кекуле в 1865 году, соединивший двойными связями три из шести атомов углерода. Примерно через половину столетия, когда физики разобрались с тайнами внутренней структуры атома и открыли электроны, стало ясно, что формула Кекуле не совсем соответствует действительности.
Выяснилось, что в молекуле бензола на самом деле нет двойных и одиночных связей - все «лишние» электроны, не участвующие в связях с водородом, обитают в двух облаках-«бубликах», существующих над и под углеводородным кольцом. Они возникают в молекуле бензола благодаря тому, что углерод в ней находятся в особом состоянии, которое химики и физики называют sp2-гибридизацией. Главным отличием таких атомов от нормального углерода является то, что они образуют «короткие» химические связи, которые разорвать достаточно сложно и дорого с энергетической точки зрения. Похожим образом устроен и углерод в кристаллах алмаза, находящийся в состоянии sp3-гибридизации.
Трехмерная структура алмазной нити, созданной авторами статьи. Фото: Penn State University
Как объясняют Бэддинг и его коллеги, алмаз состоит из шестиконечных колец углерода, похожих по своей форме на бензол. Это дало им основания полагать, что при достаточно сильном давлении и при других экстремальных условиях кольца бензола могут разомкнуться и соединиться друг с другом, образуя нитеобразную структуру, похожую по своим свойствам на алмаз.
Через несколько недель эксперименты с бензолом принесли потрясающие результаты. При сжатии капсулы с углеводородом до давления, превышающего атмосферное примерно в 200 раз, она превратилась в смесь из мельчайших полупрозрачных белых нитей, обладавших всеми физическими и химическими характеристиками алмазов.
«Мы обнаружили, что постепенное и достаточно медленное снижение давления после того, как была достигнута высокая точка сжатия, дает атомам углерода время на то, чтобы соединиться друг с другом и превратиться в цепочку склеенных друг с другом пирамид из атомов углерода, представляющих собой основу всех алмазов», - добавляет другой автор статьи, Малкольм Гютри из Института науки Карнеги в Вашингтоне (США), чьи слова приводит пресс-служба университета Пенсильвании.
Давление, как пишут исследователи в статье, заставляет молекулы бензола выстраиваться в линии, ломаться и распадаться на части. По мере снижения давления - этот процесс продолжается около 10 часов - фрагменты бензольных колец начинают соединяться друг с другом, образуя новые пирамидальные структуры, скрученные в своеобразное подобие тройной нити.
«Нас крайне удивило то, что подобный процесс самоорганизации вообще происходит. То, что атомы углерода в молекулах бензола соединяются друг с другом при комнатной температуре и превращаются в нить, является шокирующим фактом и для химиков, и для физиков. Учитывая предыдущие эксперименты, нам кажется, что происходит следующее. Когда молекула бензола распадается, составлявшие ее атомы пытаются зацепиться за что-то другое и при этом они не могут покинуть занимаемое место из-за того, что давление мешает им это сделать. Благодаря этому бензол становится настолько химически активным, что при снижении давления возникает упорядоченная реакция полимеризации, которая и приводит к формированию основы алмазной нити», - продолжает свою мысль Бэддинг.
Как отмечает сам пенсильванский химик, открытая его группой технология пока не готова к промышленному применению - за один прием физики могут изготовлять лишь несколько кубических миллиметров алмазной нити, чего недостаточно для большинства практических задач. Высокое давление, отмечает ученый, пока препятствует расширению производства и изготовлению длинных тросов. Эту проблему исследователи планируют решить в ближайшие месяцы и годы, наблюдая за химическими процессами, которые происходят внутри капсулы с бензолом.
По словам Бэддинга, уже сейчас можно говорить о практически неограниченном потенциале подобных алмазных волокон. К примеру, из них можно изготовлять детали в движущихся частях автомобилей, кузова, корпуса для бытовой техники и другие вещи, для производства которых сегодня используются различные пластики и сплавы. Кроме того, они могут послужить основой для сверхпрочного спасательного и военного оборудования, а также более футуристических проектов.
«Наша самая безумная мечта по использованию наноматериалов, которые мы разрабатываем на базе этого волокна - создание сверхпрочных и сверхлегких кабелей, которые сделали бы возможным создание "космического лифта", существующего пока лишь в воображении фантастов и футурологов» - повествует физик, описывая свои ближайшие планы на будущее.
Космический лифт - пока гипотетическая система сверхдешевой доставки грузов в космос, представляющая собой гигантский трос длиной в несколько сотен километров, протянутый от поверхности Земли к станции на низкой орбите. Впервые о таком способе попадания в околоземное пространство задумался Константин Циолковский, основоположник космонавтики, в 1895 году, а ее детальную концепцию разработал другой российский ученый, инженер Юрий Арцутанов, в конце 50-х годов прошлого века. Главное препятствие для создания такого лифта - пока человечеством не создан материал, обладающий достаточной легкостью и прочностью для создания многокилометрового космического троса. Бэддинг и его коллеги надеются, что им удастся решить эту проблему уже в ближайшем будущем.
Poll