ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НА ПРОСТРАНСТВО
В журнале "Техника Молодёжи" за 2001 N12 была опубликована очень интересная статья Олега Митрофанова "Шаг за горизонт". В ней даются основы построения универсальных форм управления материей. Используются они и в конструировании безтопливных источников энергии и построении фрактальныых антенн, и понимании взаимодействия биологических форм. Короче вот эта статья.
НАНОТЕХНОЛОГИЯ Создание сканирующего туннельного микроскопа и на его базе машин, способных манипулировать (может, лучше сказать нанопулировать) отдельными атомами, коренным образом меняет ситуацию во многих областях науки и техники. Сегодня уже созданы либо разрабатываются наноприборы, выполняющие функции транзисторов, преобразователей сенсоров, двигателей, размеры которых на два порядка меньше длины волны видимого света. Однако речь не об очередном этапе миниатюризации, а о переходе в иное качество - открытии принципиально новых возможностей. Именно на становлении индустрии невидимого (наноиндустрии) сосредоточены усилия разработчиков, и именно сюда вкладываются все более значительные средства (0,5 млрд. долл, на 2000 г. только из федерального бюджета США).Здесь предпринята попытка рассмотреть некоторые из самых очевидных приложений нанотехнологии к оптике.
Если судить по публикациям, вернее, их отсутствию, возникает впечатление абсолютной необитаемости, даже бесперспективности этого направления, ибо трудно предположить, что весь оптический спектр, от жесткого ультрафиолетового (УФ) до дальнего инфракрасного (ИК), остался незамеченным проницательными исследователями. Но, как бы то ни было, в нанооптике мы одиноки.
Ключевым устройством, просветляющим квантовомеханический формализм для нормальных радиотехнических представлений, является планарная пара электродов на диэлектрической подложке (рис. 1).
Электроды, выполненные в виде пары «острие - антиострие», разделены туннельно-прозрачным зазором (около 0,5 нм) и образуют двухполюсник, к которому вполне применимо высказывание Наполеона: «Простое - это самое трудное».
Концентрация напряженности электрического поля (теоретически до бесконечности) у конца проводящего острия и ее спад (теоретически до нуля) в углублении антиострия создают условия, способствующие выходу электронов с острия и их входу на антиострие, обеспечивая характерную для диодов униполярную проводимость. Разумеется, электроды не обязаны быть плоскими, более эффективна обычная коническая игла над воронкой, вот только реализовать трехмерную конструкцию сложнее.
Ячейка, выпрямляющая ток благодаря форме электродов, в отличие от полупроводниковых диодов, сохраняет работоспособность в тяжелых температурных условиях (от криогенных до температуры разрушения ячейки), для нее не существует проблемы рассасывания носителей, а чрезвычайно малое время туннелирования электрона (меньше 10 16 с) сдвигает граничную частоту в УФ-диапазон. Впрочем, эти замечательные свойства лишь пролог к совершенно уникальной особенности: поскольку в проводящих электродах наличествуют электрические флюктуации - тепловой шум, возникает пропорциональный температуре ток флюктуацион- ной эмиссии с острия. Горячие электроны, покидая его, уносят энергию флюктуаций и, таким образом, ячейка за счет собственного охлаждения создает постоянный ток, способный совершить работу во внешней цепи!
Шаг за горизонт
Параллельно-последовательное соединение ячеек (рис- 2) образует матрицу (на фрагменте матрицы окружностыо R - 1 нм выделена пара «острие - антиострие»), способную в режиме термогенератора обеспечить питание вживленного кардиостимулятора, наручных часов, карманного калькулятора. Правильно построенный термогенератор под нагрузкой должен покрываться инеем. К сожалению, сегодня подобная матрица изготавливается сугубо индивидуально, приходится «рисовать» иглой нанопулятора, и поэтому получение энергетически значимых мощностей энергии или больших охлаждаемых поверхностей хотя и актуально, но не стоит в повестке текущего дня.
Гораздо большую мощность способна выдать показанная на рис. З солнечная батарея (эквивалентная температура света много выше комнатной), а по сути, антенная решетка из симметричных полуволновыХ вибраторов. Если длина вибратора 177 нм (с учетом диэлектрической подложки, защитного покрытия и среды, в которой находится антенна, принят коэффициент укорочения 1,5), то решетка настроена на прием зеленой составляющей света (Ж = 530 нм). диодные ячейки, включенные в плечи вибраторов, связывают их по постоянному току, что снимает сложности фазировки и канализации энергии в нагрузку.
Чтобы расширить полосу для поглощения всего солнечного спектра, монохроматическую поляризованную решетку следует «разбавить» вибраторами других цветов, скажем, фиолетового (Ж = 400 нм) и красного (Ж = 700 нм), - рис. 4. Прием круговой поляризации обеспечит решетка второго слоя с ортогонально ориентированными вибраторами.Дальнейшее повышение эффективности достигается заменой элементарной ячейки между плечами вибратора диодным мостом (рис. 5). По-видимому, двухполупериодное детектирование приблизит коэффициент полезного действия солнечной батареи к теоретическому пределу - поглощательной способности черного тела.
Итак, работая на согласованную нагрузку, солнечная батарея ничего не отражает и не пропускает. При отключенной нагрузке - режим холостого хода - туннелирования нет, плечи вибраторов не связаны (следовательно, настроены на вдвое большие частоты), и солнечная батарея становится прозрачной, - это регулируемый оптический затвор - аттенюатор. Если селективно нагружать одноцветные группы вибраторов, получится перестраиваемый фильтр. В режиме короткого замыкания добротность вибраторов увеличивается, чему можно способствовать, подавая напряжение, стимулирующее туннелирование, тогда солнечная батарея превращается в зеркало (металлизируется) с управляемым оттенком металлического блеска.
И поглощающий, и отражающий оптические затворы могут работать автоматически. Иными словами, может быть создан нелинейный материал с необычайными параметрами (частотно и/или поляризациюнно зависимый и т.п.). Быстродействие затворов из такого материала очень велико, а потому они пригодны для защиты от оптического оружия и мощного лучевого воздействия (маски электросварщиков, очки типа «хамелеон» и пр.).
Представляется возможным, увеличивая стимулирующее напряжение, выйти на режим,напоминающий искровое возбуждение вибратора Герца, - диодные ячейки в этом случае ненужны. Тогда монохроматическая решетка (рис. З) станет источником когерентного поляризованного излучения, а широкополосная (рис. 4) - белого света, (ортогональная решетка деполяризует излучение, а рассеивающее покрытие размывает когерентность). Подбором глубины связи и цвета вибраторов можно получить непрерывный спектр, тождественный солнечному. Высокий коэффициент полезного действия преобразования допускает питание такого излучателя от термогенератора (рис.2),а значит, к перечню применений добавим светильник, работающий от тепла руки. Матрицы вибраторов с переключением спектрально чистых цветов пригодятся в устройствах отображения информации - на их основе осуществим быстродействующий транспарант и дисплей отражённого света.
Сочетание приемной и передающей решеток позволяет создать импульсные и допплеровские (непрерывного излучения) датчики антиблокировки тормозов, расходомеры, радиовзрыватели, системы инициации динамической защиты и дистанционной охраны. Обладая сверхмалыми размерами и массой, они не боятся ускорений и дают возможность упростить схемы. Так, детектирующие ячейки приемной решетки допплеровского сенсора выполняют роль смесительных диодов: при появлении сдвинутой частоты на фоне излучаемой просочившейся - низкочастотная составляющая возникает на выходных шинах приемной решетки. Ко всему прочему, эти устройства перекрывают разрыв между оптическим и субмиллиметровым диапазонами .
Вибратор с элементарной ячейкой настолько элементарен, что было бы странно не найти его природный аналог, скажем, в хлорофилле. Механизм получения углеводов из воды и углекислого газа не совсем ясен, честнее, совсем неясен, и многословные «объяснения» фотосинтеза лишь затушевывают этот печальный факт Для образованмя шестиуглеродного сахара необходим водород, который можно получить только из воды. Но отщепление водорода по ортодоксальному механизму требует невозможного: мгновенной энергии минимум двух квантов одномоментно- В то же время радиотехнический способ «выпрямления света» позволяет использовать обычный электролиз, самый короткий и экономичный способ разложения воды.
Наноэлектролизер, питаемый одиночным вибратором, столь же мало производителен, как одиночный квант, Другое дело трехэлементная антенна (рис-6.) из широкополоснои решетки При указанных в пояснении к (рис 4) параметрах, её П-образная частотная характеристика имеет вид как на рис 7. Постоянный ток диодных ячеек замкнут через воду (её молекулу) между демонстративно вынесенными вправо электродами. Если вода находится в гальваническом контакте с разнополярными плечами или антенна погружена в воду целиком, никакие специальные электроды не нужны. Поскольку такая антенна улавливает не одиночный квант, а почти весь, очерченный кривой. Вина спектр - всю проникшую сквозь атмосферу солнечную постоянную, с энергетикой тут полный порядок. Чего не скажешь о конструкции.
Иначе, ближе к природе перекрещенные вибраторы длиной I =147 и 227nm,(L = 440 и 620 нм соответственно) включенные на общий детектор (рис. 8) Антенна «косой крес.» (Фактически два связанных вибратора), тоже широкополосна но обладает M-образнои характеристикой с провалом в центральной - зеленой области спектра. В точности как спектральный коэффициент поглощения зеленого листа (рис- 9, верхняя кривая). Жертвуя малой частью в самой энергетически весомой области, эта антенна полностью использует края спектра что конечно, чуть хуже чем у трехэлементной, зато куда проще Туннельный микроскоп, возможно, позволит рассмотреть Х-структуру с указанными размерами, но вряд в перекрестии удастся обнаружить пару «острие-антиострие» Скорее всего, эту функцию выполняет какой-то участок молекулы (группа атомов), в полевом смысле сходный с проводящим острием.
Огорчительно осознавать, что ласкающая глаз зелень есть результат оптимизации фотоэлектролизера по параметрам «стоимость-производительность» -всего лишь отражение того факта, что недостаточно эффективна антенна А вот водоросли не вправе отражать зеленый цвет - единственно доходящий до, них через окно прозрачности воды, поэтому наряду с зелеными, существуют бурые и красные. Надо полагать, длинный вибратор- их «косого креста» укорочен до желтого (L = 190 нм), и цвет определяет не провал, а красный срез частотной характеристики.
Кстати о глазах. Фотоприемник, счастливо найденный на заре зарождения жизни, не может не использоваться в поздних формах. например, в зрительном аппарате. Широкополосные Х-структуры - лучшие фоторецепторы сумеречного зрения, и вырабатываемый ими постоянный ток легко канализируется по волокнам с ионной проводимостью и позволяет фоторецепторам объединяться в группы - рецептивные поля. Использование энергии спектра в одном канале делает бессмысленным понятие «цвет» и подводит теоретический базис под утверждение «ночью все кошки серы », а заодно (подъемом коэффициента отражения на рис-9.) - объясняет желто-зеленое свечение глаз зверей и птиц с хорошим ночным зрением. Наблюдается и красное свечение, но из этого отнюдь не следует, что таким видам животных достались Х-структуры красных водорослей, а не зеленых, как прочим. Скорее наоборот, «ночники» способны видеть в ближнем ИК -у них оба вибратора длиннее, и наблюдаемое отражение в красном соответствует смещенным вправо кривым на рис. 9.
Колбочки сетчатки содержат узкополосные одноцветные вибраторы, и поток чувствительности их цветного зрения на несколько порядков ниже ахроматического.Пгавда, узкополосность е означает обязательное использование одиночного вибратора или отказ с унификации колбочек и палочек - вероятно, здесь используется та же Х-структура„ но с вибраторами равной длины. На рис.10. Представлены возможные конструкции цветных фоторецепторов, предпочтителен всё же косой крест, как более широкополосный, чем одиночный вибратор и турникетная антенна. Существенно, что все эти антенны чувствуют поляризацию, и даже при их хаотичной ориентации в сетчатке глаз должен реагировать на изменение поляризации света. На этот счет есть авторитетное наблюдение («Физическая энциклопедия» М., 1998, т2. с 97): «Если плоскость линейно поляризованного света медленно вращается, то в центре поля зрения глаза возникает, фигура, похожая на вращающийся пропеллер с темными лопастями». Темные лопасти - визуализация секторов поляризационной диаграммы, где сигнал ниже порога восприятия.В заключение необходимо отметить, что процессы в природных пигментах упомянуты исключительно для того, что бы придать прочность тезису: любое из обозначенных направлений заслуживает серьёзного исследования.
P.S.делал рип с djvu, поэтому разный шрифт.
НАНОТЕХНОЛОГИЯ Создание сканирующего туннельного микроскопа и на его базе машин, способных манипулировать (может, лучше сказать нанопулировать) отдельными атомами, коренным образом меняет ситуацию во многих областях науки и техники. Сегодня уже созданы либо разрабатываются наноприборы, выполняющие функции транзисторов, преобразователей сенсоров, двигателей, размеры которых на два порядка меньше длины волны видимого света. Однако речь не об очередном этапе миниатюризации, а о переходе в иное качество - открытии принципиально новых возможностей. Именно на становлении индустрии невидимого (наноиндустрии) сосредоточены усилия разработчиков, и именно сюда вкладываются все более значительные средства (0,5 млрд. долл, на 2000 г. только из федерального бюджета США).Здесь предпринята попытка рассмотреть некоторые из самых очевидных приложений нанотехнологии к оптике.
Если судить по публикациям, вернее, их отсутствию, возникает впечатление абсолютной необитаемости, даже бесперспективности этого направления, ибо трудно предположить, что весь оптический спектр, от жесткого ультрафиолетового (УФ) до дальнего инфракрасного (ИК), остался незамеченным проницательными исследователями. Но, как бы то ни было, в нанооптике мы одиноки.
Ключевым устройством, просветляющим квантовомеханический формализм для нормальных радиотехнических представлений, является планарная пара электродов на диэлектрической подложке (рис. 1).
Электроды, выполненные в виде пары «острие - антиострие», разделены туннельно-прозрачным зазором (около 0,5 нм) и образуют двухполюсник, к которому вполне применимо высказывание Наполеона: «Простое - это самое трудное».
Концентрация напряженности электрического поля (теоретически до бесконечности) у конца проводящего острия и ее спад (теоретически до нуля) в углублении антиострия создают условия, способствующие выходу электронов с острия и их входу на антиострие, обеспечивая характерную для диодов униполярную проводимость. Разумеется, электроды не обязаны быть плоскими, более эффективна обычная коническая игла над воронкой, вот только реализовать трехмерную конструкцию сложнее.
Ячейка, выпрямляющая ток благодаря форме электродов, в отличие от полупроводниковых диодов, сохраняет работоспособность в тяжелых температурных условиях (от криогенных до температуры разрушения ячейки), для нее не существует проблемы рассасывания носителей, а чрезвычайно малое время туннелирования электрона (меньше 10 16 с) сдвигает граничную частоту в УФ-диапазон. Впрочем, эти замечательные свойства лишь пролог к совершенно уникальной особенности: поскольку в проводящих электродах наличествуют электрические флюктуации - тепловой шум, возникает пропорциональный температуре ток флюктуацион- ной эмиссии с острия. Горячие электроны, покидая его, уносят энергию флюктуаций и, таким образом, ячейка за счет собственного охлаждения создает постоянный ток, способный совершить работу во внешней цепи!
Шаг за горизонт
Параллельно-последовательное соединение ячеек (рис- 2) образует матрицу (на фрагменте матрицы окружностыо R - 1 нм выделена пара «острие - антиострие»), способную в режиме термогенератора обеспечить питание вживленного кардиостимулятора, наручных часов, карманного калькулятора. Правильно построенный термогенератор под нагрузкой должен покрываться инеем. К сожалению, сегодня подобная матрица изготавливается сугубо индивидуально, приходится «рисовать» иглой нанопулятора, и поэтому получение энергетически значимых мощностей энергии или больших охлаждаемых поверхностей хотя и актуально, но не стоит в повестке текущего дня.
Гораздо большую мощность способна выдать показанная на рис. З солнечная батарея (эквивалентная температура света много выше комнатной), а по сути, антенная решетка из симметричных полуволновыХ вибраторов. Если длина вибратора 177 нм (с учетом диэлектрической подложки, защитного покрытия и среды, в которой находится антенна, принят коэффициент укорочения 1,5), то решетка настроена на прием зеленой составляющей света (Ж = 530 нм). диодные ячейки, включенные в плечи вибраторов, связывают их по постоянному току, что снимает сложности фазировки и канализации энергии в нагрузку.
Чтобы расширить полосу для поглощения всего солнечного спектра, монохроматическую поляризованную решетку следует «разбавить» вибраторами других цветов, скажем, фиолетового (Ж = 400 нм) и красного (Ж = 700 нм), - рис. 4. Прием круговой поляризации обеспечит решетка второго слоя с ортогонально ориентированными вибраторами.Дальнейшее повышение эффективности достигается заменой элементарной ячейки между плечами вибратора диодным мостом (рис. 5). По-видимому, двухполупериодное детектирование приблизит коэффициент полезного действия солнечной батареи к теоретическому пределу - поглощательной способности черного тела.
Итак, работая на согласованную нагрузку, солнечная батарея ничего не отражает и не пропускает. При отключенной нагрузке - режим холостого хода - туннелирования нет, плечи вибраторов не связаны (следовательно, настроены на вдвое большие частоты), и солнечная батарея становится прозрачной, - это регулируемый оптический затвор - аттенюатор. Если селективно нагружать одноцветные группы вибраторов, получится перестраиваемый фильтр. В режиме короткого замыкания добротность вибраторов увеличивается, чему можно способствовать, подавая напряжение, стимулирующее туннелирование, тогда солнечная батарея превращается в зеркало (металлизируется) с управляемым оттенком металлического блеска.
И поглощающий, и отражающий оптические затворы могут работать автоматически. Иными словами, может быть создан нелинейный материал с необычайными параметрами (частотно и/или поляризациюнно зависимый и т.п.). Быстродействие затворов из такого материала очень велико, а потому они пригодны для защиты от оптического оружия и мощного лучевого воздействия (маски электросварщиков, очки типа «хамелеон» и пр.).
Представляется возможным, увеличивая стимулирующее напряжение, выйти на режим,напоминающий искровое возбуждение вибратора Герца, - диодные ячейки в этом случае ненужны. Тогда монохроматическая решетка (рис. З) станет источником когерентного поляризованного излучения, а широкополосная (рис. 4) - белого света, (ортогональная решетка деполяризует излучение, а рассеивающее покрытие размывает когерентность). Подбором глубины связи и цвета вибраторов можно получить непрерывный спектр, тождественный солнечному. Высокий коэффициент полезного действия преобразования допускает питание такого излучателя от термогенератора (рис.2),а значит, к перечню применений добавим светильник, работающий от тепла руки. Матрицы вибраторов с переключением спектрально чистых цветов пригодятся в устройствах отображения информации - на их основе осуществим быстродействующий транспарант и дисплей отражённого света.
Сочетание приемной и передающей решеток позволяет создать импульсные и допплеровские (непрерывного излучения) датчики антиблокировки тормозов, расходомеры, радиовзрыватели, системы инициации динамической защиты и дистанционной охраны. Обладая сверхмалыми размерами и массой, они не боятся ускорений и дают возможность упростить схемы. Так, детектирующие ячейки приемной решетки допплеровского сенсора выполняют роль смесительных диодов: при появлении сдвинутой частоты на фоне излучаемой просочившейся - низкочастотная составляющая возникает на выходных шинах приемной решетки. Ко всему прочему, эти устройства перекрывают разрыв между оптическим и субмиллиметровым диапазонами .
Вибратор с элементарной ячейкой настолько элементарен, что было бы странно не найти его природный аналог, скажем, в хлорофилле. Механизм получения углеводов из воды и углекислого газа не совсем ясен, честнее, совсем неясен, и многословные «объяснения» фотосинтеза лишь затушевывают этот печальный факт Для образованмя шестиуглеродного сахара необходим водород, который можно получить только из воды. Но отщепление водорода по ортодоксальному механизму требует невозможного: мгновенной энергии минимум двух квантов одномоментно- В то же время радиотехнический способ «выпрямления света» позволяет использовать обычный электролиз, самый короткий и экономичный способ разложения воды.
Наноэлектролизер, питаемый одиночным вибратором, столь же мало производителен, как одиночный квант, Другое дело трехэлементная антенна (рис-6.) из широкополоснои решетки При указанных в пояснении к (рис 4) параметрах, её П-образная частотная характеристика имеет вид как на рис 7. Постоянный ток диодных ячеек замкнут через воду (её молекулу) между демонстративно вынесенными вправо электродами. Если вода находится в гальваническом контакте с разнополярными плечами или антенна погружена в воду целиком, никакие специальные электроды не нужны. Поскольку такая антенна улавливает не одиночный квант, а почти весь, очерченный кривой. Вина спектр - всю проникшую сквозь атмосферу солнечную постоянную, с энергетикой тут полный порядок. Чего не скажешь о конструкции.
Иначе, ближе к природе перекрещенные вибраторы длиной I =147 и 227nm,(L = 440 и 620 нм соответственно) включенные на общий детектор (рис. 8) Антенна «косой крес.» (Фактически два связанных вибратора), тоже широкополосна но обладает M-образнои характеристикой с провалом в центральной - зеленой области спектра. В точности как спектральный коэффициент поглощения зеленого листа (рис- 9, верхняя кривая). Жертвуя малой частью в самой энергетически весомой области, эта антенна полностью использует края спектра что конечно, чуть хуже чем у трехэлементной, зато куда проще Туннельный микроскоп, возможно, позволит рассмотреть Х-структуру с указанными размерами, но вряд в перекрестии удастся обнаружить пару «острие-антиострие» Скорее всего, эту функцию выполняет какой-то участок молекулы (группа атомов), в полевом смысле сходный с проводящим острием.
Огорчительно осознавать, что ласкающая глаз зелень есть результат оптимизации фотоэлектролизера по параметрам «стоимость-производительность» -всего лишь отражение того факта, что недостаточно эффективна антенна А вот водоросли не вправе отражать зеленый цвет - единственно доходящий до, них через окно прозрачности воды, поэтому наряду с зелеными, существуют бурые и красные. Надо полагать, длинный вибратор- их «косого креста» укорочен до желтого (L = 190 нм), и цвет определяет не провал, а красный срез частотной характеристики.
Кстати о глазах. Фотоприемник, счастливо найденный на заре зарождения жизни, не может не использоваться в поздних формах. например, в зрительном аппарате. Широкополосные Х-структуры - лучшие фоторецепторы сумеречного зрения, и вырабатываемый ими постоянный ток легко канализируется по волокнам с ионной проводимостью и позволяет фоторецепторам объединяться в группы - рецептивные поля. Использование энергии спектра в одном канале делает бессмысленным понятие «цвет» и подводит теоретический базис под утверждение «ночью все кошки серы », а заодно (подъемом коэффициента отражения на рис-9.) - объясняет желто-зеленое свечение глаз зверей и птиц с хорошим ночным зрением. Наблюдается и красное свечение, но из этого отнюдь не следует, что таким видам животных достались Х-структуры красных водорослей, а не зеленых, как прочим. Скорее наоборот, «ночники» способны видеть в ближнем ИК -у них оба вибратора длиннее, и наблюдаемое отражение в красном соответствует смещенным вправо кривым на рис. 9.
Колбочки сетчатки содержат узкополосные одноцветные вибраторы, и поток чувствительности их цветного зрения на несколько порядков ниже ахроматического.Пгавда, узкополосность е означает обязательное использование одиночного вибратора или отказ с унификации колбочек и палочек - вероятно, здесь используется та же Х-структура„ но с вибраторами равной длины. На рис.10. Представлены возможные конструкции цветных фоторецепторов, предпочтителен всё же косой крест, как более широкополосный, чем одиночный вибратор и турникетная антенна. Существенно, что все эти антенны чувствуют поляризацию, и даже при их хаотичной ориентации в сетчатке глаз должен реагировать на изменение поляризации света. На этот счет есть авторитетное наблюдение («Физическая энциклопедия» М., 1998, т2. с 97): «Если плоскость линейно поляризованного света медленно вращается, то в центре поля зрения глаза возникает, фигура, похожая на вращающийся пропеллер с темными лопастями». Темные лопасти - визуализация секторов поляризационной диаграммы, где сигнал ниже порога восприятия.В заключение необходимо отметить, что процессы в природных пигментах упомянуты исключительно для того, что бы придать прочность тезису: любое из обозначенных направлений заслуживает серьёзного исследования.
P.S.делал рип с djvu, поэтому разный шрифт.