Все новости

Физика научной фантастики. Одежда из баллончика, замедлитель времени и другие новые материалы

Помните прозрачный экран, с которым эффектно управляется герой Тома Круза в фильме «Особое мнение»? А как насчет одежды из баллончика, ткани, которую невозможно испачкать, или замедлителя времени? Все это — новые материалы, уже созданные физиками. «Чердак» собрал хит-парад самых интересных изобретений, которые превращают жизнь в фантастику.
За последние годы физики, химики и прочие нанотехнологи создали сотни материалов, обладающих экзотическими или даже «невозможными» свойствами, с точки зрения обывателей или даже физики прошлых веков.

Это стало возможным благодаря тому, что сегодня ученые не только изучают структуру и свойства уже существующих в природе или в неживом мире предметов, химических веществ и явлений, но и создают так называемые композитные и метаматериалы. Они представляют собой этакое физическое «лего» из частиц других материалов и обладают удивительными оптическими или механическими свойствами.

Вибрации электронной души

Одно из самых перспективных и популярных направлений в области создания метаматериалов в последние пять лет — плазмоника, область физики, изучающая так называемые поверхностные плазмоны.

Наночастицы и тонкие полоски из некоторых металлов (к примеру, золота или серебра) способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде других форм электромагнитного излучения. При этом на поверхности металла возникают плазмоны — коллективные колебания электронов, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн. Яркий пример работы плазмонов — древнеримский кубок Ликурга — сосуд из стекла, меняющего прозрачность в зависимости от освещения.

Кубок Ликурга. Фото: Marie-Lan Nguyen/wikimedia



Сегодня физики пытаются использовать этот эффект для создания самых разнообразных экзотических метаматериалов. Некоторые из них находятся на первых стадиях разработки, а другие уже почти можно использовать в быту.

К примеру, около года назад инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) представили публике футуристический прозрачный дисплей, прототипы которого использовали герои «Особого мнения» или сериала Star Trek. Сквозь новый проекционный экран отлично видно то, что находится за ним, а изображение выводится при помощи нанесенных на поверхность «пикселей»-плазмонов, которые взаимодействуют только с лучами определенного цвета.

Пока экран остается монохромным и создает изображение только синего цвета, но теоретически его уже можно использовать для вывода картинки на лобовое стекло автомобилей, окна зданий и другие прозрачные поверхности. Кроме того, физики пообещали создать полноцветный проекционный дисплей, используя плазмоны-пиксели красного, синего и зеленого цветов.

Прозрачный сенсорный экран — пожалуй, самая эффектная деталь будущего из фильма «Особое мнение»



Другой интересный плазмонный проект — своеобразная «солнечная пароварка», которая позволит сварить еду в походе или на даче, не разжигая костер и не загрязняя природу, а в перспективе сможет решить проблемы с доступом к чистой питьевой воде в засушливых регионах и странах третьего мира.

Этот прибор, созданный физиками из университета Райсов в Хьюстоне, представляет собой небольшую емкость для воды, набор отражателей и нагревательный элемент из множества полых наночастиц со строго подобранными размерами и формой. Эти частицы поглощают свет в очень широком спектре и преобразуют его в тепловые колебания.

Изобретение, по словам авторов, может производить пар даже из воды с температурой, очень близкой к точке замерзания. Какой бы холодной ни была вода, наночастицы все равно генерируют пар, разогретый до 115—135 градусов по Цельсию — этого достаточно для приготовления пищи, стерилизации медицинских инструментов или дезинфекции сточных вод.

Еще одно детище «плазмонной революции» — мечта всех полиграфистов, краска с разрешением, превышающим предел чувствительности человеческого глаза: 100 тысяч точек на квадратный дюйм (dpi). Это в 250 раз больше плотности пикселей на экране Retina в последнем поколении айфонов — их разрешение «всего» 400 dpi.

Краска представляет собой набор микроскопических дисков из металла, которые наносятся на поверхность пластин из кремния и оргстекла при помощи электронной пушки и специального распылителя, покрывающего будущие цветовые точки тонким слоем серебра.

Четыре диска представляют собой один «пиксель» картинки, цвет которого будет зависеть от размеров наночастиц и того, как они расположены относительно друг друга. Благодаря этому каждая такая точка может быть окрашена в любой мыслимый цвет, что выгодно отличает ее от обычных принтеров, вынужденных подбирать оттенки при помощи палитры из трех или четырех базовых цветов.

На текущий момент технология слишком дорога для бытового использования. Но уже сегодня стоимость можно уменьшить, например используя многоразовую форму для печати множества одинаковых изображений: это привлечет полиграфические компании и производителей плакатов. Кроме того, подобные структуры из нанодисков могут быть использованы для создания оптических носителей сверхвысокого объема, в десятки и сотни раз превосходящие возможности Blu-ray.

Изменить пространство и время

Появление метаматериалов в буквальном смысле сделало сказку былью — по крайней мере, это касается сказок, где упоминаются плащи и прочие предметы гардероба, делающие хозяина невидимым. За последние годы физики создали сразу несколько моделей своеобразных «плащей-невидимок», скрывающих различные объекты от магнитного поля, микроволнового излучения, тепловизоров и даже времени (такие плащи создатели называют «редакторами истории»).

Все подобные устройства работают схожим образом: меняют направление движения и свойства электромагнитных волн в определенной части спектра, заставляя «обходить» скрываемые предметы, что делает их невидимыми для приборов или существ, которые могли бы детектировать магнитное поле, микроволны или тепло.

В случае с «редактором истории» идея состоит в том, чтобы, не меняя путь распространения луча света или электромагнитных волн, замедлять, а потом вновь ускорять их — в итоге получается контролируемый «разрыв во времени».

Экспериментальная установка построена на базе двух «расщепляющих линз времени» (split-time lens) — кремниевых волноводов из метаматериалов, которые меняют скорость распространения волн излучения. Проходя через линзу и некоторые другие компоненты, луч меняет длину волны и замедляется, в результате чего возникает временной разрыв длительностью около 10 пикосекунд. После этого вторая линза восстанавливает луч в его первоначальном виде.

Подобный прибор не поможет съездить в гости к еще не родившимся внукам или остановить мгновение. «Редакторы истории» в первую очередь интересны создателям оптических компьютеров, так как они позволяют передавать сразу несколько скрытых сигналов внутри общего потока информации.

Более практичным выглядит другой предмет обихода из метаматериалов — окно, пропускающее воздух, но не шум улиц, голоса людей и другие звуки. «Звуконепробиваемое» окно состоит из двух прозрачных пластиковых панелей, пространство между которыми разделено на множество отсеков-резонаторов.

Создатели окна превратили его в особый метаматериал с отрицательным объемным модулем упругости. Этот параметр определяет, насколько материал сопротивляется сжатию. Предметы с отрицательным модулем упругости расширяются в ответ на давление, и в природе их не существует. Корейские ученые сконструировали резонаторы так, что звуковые волны, резонируя внутри, противодействуют давлению тех же звуковых волн извне, и звуковая волна затухает.

Относительно недавно ученые придумали, как можно скрывать что-то, не делая объект невидимым. В начале этого года американские физики создали своеобразный аналог кожи хамелеона, мгновенно меняющий цвет, когда на него нажимают.

«Хамелеоновая кожа» меняет цвета даже под небольшим давлением. Изображение: Connie Chang-Hasnain, UC Berkeley



Материал представляет собой набор небольших наноструктур-«столбиков» из кремния и прочих полупроводниковых материалов, которые особым образом взаимодействуют и искажают видимое излучение. «Столбики» нанесены на ленту из гибкого материала, и расстояние между ними можно легко менять, изгибая «кожу» и нажимая на ее поверхность, в результате чего материал будет приобретать всевозможные цвета в очень широком диапазоне.

«Хамелеоновую кожу» можно будет использовать для самых разных целей, от создания универсального камуфляжа до получения высокочувствительных датчиков, которые помогут инженерам находить дефекты в структуре мостов и фюзеляжей самолетов. Дальнейшее совершенствование технологии позволит применять ее в качестве основы для дисплеев или интерактивных рекламных плакатов.

Сделано природой

Другие физики пошли обратным путем: вместо того чтобы создавать в лаборатории несуществующие материалы, они начали искать примеры необычных метаматериалов в природе. Хотя этот путь не всегда дает ожидаемые результаты, человечеству есть чему поучиться у животных и эволюции.

Самый яркий пример — различные скотчи, липучки и прочие клейкие приспособления, созданные по образу и подобию волосков на лапах ящериц-гекконов, которые помогают им удерживаться даже на поверхности стекла.

Кроме того, в марте этого года австралийские физики выяснили, что кожу этих рептилий можно использовать для создания самоочищающейся поверхности. Чешуйки гекконов покрыты микроскопическими волосками, которые не дают каплям воды и грязи растекаться. Если эти волоски удастся «скопировать» и пересадить на поверхность одежды, то она не будет пачкаться и накапливать на себе грязь.

Главным «конкурентом» ящериц в этом отношении выступает лотос, листья которого обладают идеальными грязе- и водоотталкивающими свойствами, а также хищные растения рода непентес.

Непентесы ловят насекомых в похожие на кувшины ловушки. Фото: M a n u e l/flickr



За последние годы физики создали несколько «красок», повторяющих по своим свойствам структуру поверхности лотоса и непентеса, и даже превратили кусок металла в подобие листа лотоса при помощи лазерной гравировки: ученые покрыли листы железа и других металлов тем же «рисунком», который присутствует на поверхности листьев лотоса и защищает их от загрязнения и смачивания. Металл, обработанный таким образом, практически неуязвим к коррозии и не накапливает на себе колонии бактерий и прочий биологический «мусор». Такой «лотосоподобный» металл — идеальное покрытие для медицинских инструментов и стен лабораторий.



Скопированные у растений покрытия уже привлекли внимание армии США, которая использует универсальные водо- и маслоотталкивающие составы для производства самоочищающейся и не пачкающейся униформы для военнослужащих.

Другой необычный пример подражания природе был открыт совсем недавно — в конце июля 2015 года. Британские физики из университета Эксетера обнаружили, что наноструктуры на поверхности крыльев обычных бабочек-белянок можно использовать в качестве сверхэффективного усилителя солнечных батарей, почти удваивающего КПД и позволяющего сделать их легче в 17 раз. Что интересно, такого же результата можно добиться, просто прикрепив крылья насекомого к фотоэлементу, — настолько эффективна эволюция и природа.

«Секретные материалы» британских ученых

Некоторые ученые, например итальянские физики из университета Трента, настолько «обленились», что заставили саму природу (ее представляли пауки) самостоятельно изобрести новый метаматериал. Исследователи опрыскали членистоногих большим количеством воды с множеством кусочков графена и углеродных нанотрубок, в результате чего пауки сплели чрезвычайно прочную паутину, заметно опережающую по всем параметрам кевларовые волокна и являющуюся абсолютным рекордсменом по прочности.

Углеродные нанотрубки нашли применение и в другой области: британские ученые «заплели» их таким образом, что трубки превратились в самый черный материал под названием Vantablack, отражающий всего 0,035% падающего на него света (для сравнения: свежий асфальт отражает около 4%). Подобное покрытие в первую очередь будет интересно создателям фотосенсоров и солнечных батарей, так как оно увеличит их КПД и уменьшит паразитные токи и прочие неприятные эффекты. Кроме того, суперчерный материал пригодится астрономам: созданные с его помощью телескопы смогут «увидеть» даже самые темные объекты.

Фрагмент материала Vantablack. Фото: Surrey NanoSystems



Еще более необычный пример материалов нового поколения — распыляемая «ткань», созданная британскими химиками из компании Fabrican. Она представляет собой особым образом растворенные и упакованные волокна, которые можно напылить прямо на голое тело, и через несколько минут, когда растворитель испарится, «пена» превратится в настоящую футболку, которую можно прямо на месте окрасить в нужные цвета.

Это, казалось бы, бесполезное изобретение на самом деле может спасать жизни людей: баллончики с «одеждой» можно использовать для быстрой и безопасной фиксации открытых ран, переломов и прочих травм — «бинты» из ткани Fabrican стерильны, более того, их можно сделать асептическими.

Одежду из баллончика наносят прямо на тело, через несколько секунд она застывает и можно выходить на улицу. Фото: Imperial College London



Все вышеописанное — лишь верхушка «айсберга» метаматериалов, который продолжает стремительно расти благодаря усилиям физиков, химиков, биотехнологов и других ученых. Влияние этих материалов на нашу повседневную жизнь пока почти незаметно, однако в ближайшем будущем, через 5—10 лет, когда большая часть лабораторных разработок выйдет на коммерческий уровень, человечество ожидает настоящая метаматериальная революция.

Александр Телишев