Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 23 от 19 июня 2007 года
Год назад научная группа из МТИ предложила использовать так называемые нераспространяющиеся (evanescent) электромагнитные волны. Они быстро затухают вблизи излучателя и не уносят энергии в пространство, но их энергию можно использовать, если на расстоянии меньше длины волны от источника поместить настроенный в резонанс приемник.
И вот теперь эта идея была впервые реализована. Две резонансные катушки, настроенные на частоту десять мегагерц, что соответствует длине волны тридцать метров, были размещены в двух метрах друг от друга. К одной был присоединен передатчик, а к другой приемник и лампочка. Вокруг излучающей катушки возбуждается в основном магнитное поле, которое в отличие от электрического слабо взаимодействует с большинством тел, если в них нет ничего настроенного с этим полем в резонанс. Поэтому такая антенна практически безопасна, а любое электронное устройство, помещенное между антеннами, не помешает передаче энергии и будет нормально работать. Настроенные в резонанс антенны оказываются сильно магнитно связаны, и энергия передается приемнику с эффективностью около сорока процентов. Остальные шестьдесят процентов поглощаются излучателем.
Результаты демонстрационных экспериментов хорошо совпали с предсказаниями теории. Но полуметровая антенна великовата для использования в быту, и в ближайшее время ученые обещают продемонстрировать передачу энергии на более компактные приемные антенны. Кроме того, шестьдесят процентов потерь при передаче – чересчур большая плата за беспроводное удобство. И хотя пока трудно сказать, найдет ли эта технология практическое применение, начало исследований получилось многообещающим. ГА
Казимиру жидкости покорныАмериканские физики экспериментально доказали, что эффект Казимира проявляется не только в вакууме, но и в жидкостях. Эту работу выполнили Джереми Мандэй и Федерико Капассо (Jeremy Munday, Federico Capasso), работающие в Гарвардском университете.
Эффект, о котором идет речь, в 1948 году предсказал голландский физик-теоретик Гендрик Казимир. Он показал, что между двумя идеально отражающими параллельными зеркалами, помещенными в глубокий вакуум, возникает сила притяжения чисто квантовой природы. Согласно гейзенберговскому соотношению неопределенностей, в вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные фотоны электромагнитного излучения. Спектр энергий тех квантов, которые могут появиться между зеркалами, чуть уже энергетического спектра свободного пространства, поскольку некоторые состояния этих квантов в межзеркальной щели запрещены. Энергия виртуальных фотонов вносит вклад в суммарную энергию физического вакуума, которая считается нулевой. Поскольку в пространстве между пластинами этих фотонов меньше, нежели вовне, плотность вакуумной энергии там отрицательная. По этой причине в вакууме возникнет негативное давление, направленное перпендикулярно зеркалам, которые в результате начнут притягиваться друг к другу.
Эффект Казимира довольно трудно измерить. Сила казимировского притяжения обратно пропорциональна четвертой степени ширины щели, так что зеркала должны находиться очень близко друг к другу. Кроме того, идеальные зеркала существуют только в теории. На практике приходится пользоваться тщательно отполированными металлическими поверхностями, которые неодинаково отражают фотоны разных частот, что уменьшает силу Казимира. Впервые ее существование было экспериментально подтверждено лишь в 1958 году, а затем со все возрастающей надежностью – в 1997-м и в последующие годы. Новейшие измерения подтвердили теоретические вычисления с точностью до одного процента.
Все эти эксперименты проводились в глубоком вакууме. Теперь Мандэй и Капассо проверили, в какой степени сила Казимира экранируется жидкой средой. Они положили на дно ванночки с этанолом отполированную золотую пластинку и подвесили над ней позолоченный пластиковый шарик диаметром 40 мкм. Благодаря силе Казимира, шарик несколько сместился по направлению к пластине, что зарегистрировал лазер сенсора. Обработка результатов показала: когда дистанция между шариком и пластинкой составила 50 нм, сила Казимира оказалась вдвое меньше вакуумного значения. Это ослабление имеет ту же физическую природу, что и влияние неидеальности зеркал. Этанол изменяет спектр флуктуаций виртуальных фотонов и тем самым влияет на величину казимировского притяжения. АЛ
НеприкосновенныеПервым взрывчатым веществом (ВВ), которое применил человек, был дымный порох, изобретенный в Китае где-то в VII веке. Примерно через пять веков дымный порох проник в Европу. С тех пор химия ВВ – наука о том, "как взорвать что угодно" – хоть и продвигается вперед, но далеко не теми семимильными шагами, которые делают другие области химического знания. Это вызвано в первую очередь очень жесткими требованиями, предъявляемыми к современным ВВ: они должны быть, с одной стороны, достаточно мощными, а с другой – удобными для использования в технологических процессах, нечувствительными к случайным внешним воздействиям и при этом дешевыми.
Сам взрыв является следствием быстропротекающей экзотермической окислительно-восстановительной реакции. Реакция инициируется в какой-то точке ВВ (детонация) и распространяется с высокой скоростью, в результате весь объем ВВ вовлекается в реакцию и взрывается как единое целое. В ходе реакции образуется большое количество газообразных продуктов, молекулы которых разлетаются в разные стороны от точки взрыва, обладая высокой кинетической энергией, то есть температурой. Чем больше газов и чем выше температура взрыва, тем больший разрушительный эффект можно ожидать. Часто для того, чтобы удовлетворить всем требованиям, применяют различные сочетания ВВ с другими компонентами, но сейчас речь идет об индивидуальных ВВ, о молекулах, которые буквально двигают горы своей спрятанной до поры энергией.
Рекордсменами взрывной мощности и, следовательно, важнейшими ВВ являются нитропроизводные различных органических молекул. Нитроглицерин (скорость детонации 7650 м/с), очень чувствительный к удару и входящий в состав динамита, получен А. Собреро еще в 1846 году. Тринитротолуол (тротил, скорость детонации 6700—7000 м/с) получен Й. Вильбрандом в 1863 году и до сих пор является одним из основных ВВ, применяемых как в чистом виде, так и в смеси с небезызвестным гексогеном (скорость детонации 8360 м/с), синтезированным в 1890 году. Последний более мощен и чувствителен к внешним воздействиям, чем тротил. Скоростью детонации в 9124 м/с может похвастаться октоген, который был впервые обнаружен Райтом и Бахманом в 1941 году как примесь к гексогену. Органические нитропроизводные объединяет то, что окислитель и восстановитель в них входят в состав одной и той же молекулы. В качестве окислителя выступают нитрогруппы (NO2), а восстановителем служат атомы углерода органических групп, таких как метиленовая (CH2), то есть «взрывная» окислительно-восстановительная реакция в данном случае может протекать как по внутримолекулярному, так и по межмолекулярному механизму. Именно поэтому упомянутые соединения можно использовать в чистом виде. В ходе взрыва образуются CO2, N2 и H2O.
В 1999 году в Чикагском университете Филипп Итон и Мао-Си Чжан (Philip Eaton, Mao-Xi Zhang) синтезировали октанитрокубан, самое мощное ВВ, порожденное химией на сегодняшний день: скорость детонации 9800 м/с, температура взрыва 5800 °С. Получение этого соединения – значительное достижение не только технологов ВВ, но и химиков вообще. Молекула октанитрокубана, C8(NO2)8, представляет собой куб из атомов углерода, причем к каждой углеродной вершине куба присоединена одна нитрогруппа. Рекордная мощность этого ВВ обусловлена не только большим количеством нитрогрупп, приходящихся на одну молекулу, но и напряженностью кубического углеродного каркаса, которая при его распаде приводит к выделению дополнительной энергии. Однако октанитрокубан пока не получил широкого применения, так как его синтез довольно сложен и дорог, поэтому химики не прекращают поиск.
Немецкие специалисты по ВВ Томас Клапотке (Thomas Klapotke) и Буркхард Крумм (Burkhard Krumm) из Университета Мюнхена совместно с химиком-кремнийоргаником Райнхольдом Таке (Reinhold Tacke) из Университета Вюрцбурга задались вопросом: а что, если заменить некоторые атомы углерода в обычных ВВ на атомы кремния, который в некоторых отношениях является химическим аналогом углерода? Ученые получили Si(CH2ONO2)4 и Si(CH2N3)4, являющиеся кремнийорганическими аналогами давно известных ВВ – пентаэритриттетранитрата С(CH2ONO2)4 и пентаэритриттетраазида С(CH2N3)4. Новые соединения оказались чрезвычайно чувствительны к внешнему механическому воздействию: даже осторожное прикосновение к веществу специальным пластиковым шпателем может привести к взрыву. Несмотря на все предосторожности, один из образцов взорвался прямо на предметном столике микроскопа, – к счастью, обошлось без жертв. По сравнению с этой кремнийорганикой нитроглицерин покажется образцом устойчивости. Столь высокая чувствительность пока не позволяет получить для новых молекул ряд важных физико-химических характеристик и, естественно, препятствует какому бы то ни было практическому применению. Сейчас ученые пытаются снизить чувствительность полученных соединений. Как отмечают немцы, кремнийорганические ВВ менее токсичны, нежели их органические аналоги, и технология их получения экологически более приемлема.
