Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2004 № 10
Евгений МИХАЙЛОВ
Художник Ю. САРАФАНОВ
УДИВИТЕЛЬНАЯ НАУКА
«Гости» в «бочке»
Слышали слово «кукурбитурил»? Если нет, не удивительно. И само слово, и область науки, где оно в ходу — супрамолекулярная химия, — появились сравнительно недавно и успели попасть далеко не во все учебники.
Так выглядит «бочка» кукурбитурила.
Термином «супрамолекулярная химия» в 1979 году лауреат Нобелевской премии, французский исследователь Жан-Мари Лен обозначил область химии, где царствуют огромные и весьма странные молекулы очень сложного строения. Чтобы как-то выделить их среди других образований, гигантов стали называть супрамолекулярными ансамблями. А среди них есть и такой — C36H36N24О12. Вот ему-то химик В.Фриман и придумал имечко «кукурбитурил».
Говорят, молекула по внешнему виду показалась ему похожей на тыкву из рода Cucurbita. Как видно, химик был заодно и заядлым огородником-любителем. Так или иначе, название прижилось. Тем более что молекула действительно несколько похожа на тыкву или даже, скорее, на бочку (см. рис).
Впервые это соединение было получено еще в 1905 году немецким химиком Р.Берендетом. Но в то время не было электронных микроскопов, так что ученому не довелось увидеть, какое чудо он сотворил. Удивиться же было чему. Эта молекула — действительно настоящий гигант. Ее высота — 6 ангстрем, а диаметр — 5,5 ангстрема. Этого вполне достаточно, чтобы внутрь такой «бочки» можно было при желании поместить несколько молекул обычных размеров.
Впрочем, долгое время никто толком не знал, что делать с такой молекулой на практике. Интереса ради пробовали помещать внутрь ее разные другие, любовались получающимися структурами, да и только. Так продолжалось до тех пор, пока несколько лет назад российские химики из МГУ под руководством доктора химических наук А. Шевелькова не догадались соорудить подобную «бочку» из полупроводника на основе кремния. И не одну, а сразу множество. Получилась этакая решетка с ячейками, внутри каждой из которых расположены атомы йода.
Решетку теперь называют «хозяином», вещество внутри — «гостем».
Вся хитрость в том, что «гость» химически не связан с «хозяином». Тем не менее, как косточка в вишне, «сидит» довольно крепко. Что и обеспечивает уникальный набор свойств соединения.
«Гость» и «хозяин» представляют собой электрически заряженные группы. Исследователи из МГУ показали, что электропроводность таких супрамолекулярных веществ — величина типичная для полупроводников, а вот теплопроводность очень мала, такая же, как у аморфных материалов. Все вместе это позволило создать уникальные микрохолодильники, позволяющие регулировать температуру охлаждения в весьма широком диапазоне, вплоть до минус 240 °C! Причем для «электронного холодильника» не нужны ни фреон, ни какие-либо движущиеся детали. И работает он бесшумно.
Сначала такие холодильники думали использовать лишь в микроэлектронике для охлаждения интенсивно работающих чипов. Но потом выяснилось, что глубокое охлаждение с успехом может быть использовано и в приемниках инфракрасного диапазона длин волн. Дело в том, что полупроводникам мешают работать их собственные шумы, которые тем сильнее, чем выше температура самого полупроводника. Их так и называют — тепловые.
Охладив полупроводник, можно увеличить его чувствительность как минимум в 10 раз по сравнению с теми, что работают при комнатной температуре. Это значит, что прибор ночного видения сможет обнаружить цель втрое дальше.
Так же можно улучшить чувствительность приемников или мобильных телефонов. Если в мобильник поместить кукурбитуриловые решетки, то он сможет принимать даже сигналы со спутников на собственную антенну без предварительного усиления.
И это только начало…
Владимир ЧЕРНОВ
Соединив вместе множество «бочек», можно получить замысловатую структуру…
… А внутри каждой «бочки» можно поместить некоего «гостя».
Подробности для любознательных
ДВА ЭФФЕКТА И НЕМНОГО ФИЗИКИ…
Полупроводниковый холодильник работает на двух эффектах, изучаемых в курсе школьной физики. В 1834 г. французский ученый Ж. Пельтье открыл эффект поглощения и выделения тепла на контакте двух разнородных материалов в зависимости от направления электрического тока, идущего через контакт. Этот эффект особенно значителен, когда одно из двух контактирующих веществ — полупроводник, а другое — металл.
Само явление сравнительно давно начали использовать в термостатах, кристаллизаторах. Но широко применить эффект Пельтье в быту мешала высокая теплопроводность существующих материалов. Как правило, «полученный» холод растекается по объему контакта настолько быстро, что не дает получить теоретически достижимую низкую температуру. Охладить больше, чем на 10–15 °C, скажем, ту же микросхему невозможно. А вот с помощью кристаллов, открытых Шевельковым и его группой, это уже вполне реально. И как раз за счет низкой теплопроводности веществ со структурой «гость — хозяин».
Более того, для тех же самых веществ имеет место обратный эффект, названный в честь немецкого физика Т. Зеебека, открывшего это явление в 1821 г. Когда на контакте полупроводник — металл возникает разность температур, то появляется и разность потенциалов. Через систему обратной связи это позволит регулировать ток и тем самым менять температуру холодильника в широких пределах.
КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
Всемирно известная фирма Siemens решила порадовать потребителей мобильником, который решительно не похож на телефон. Мы уж стали привыкать к тому, что в телефоны ныне встраивают фотокамеры и радиоприемники… Специалисты фирмы добавили к этому еще и авторучку. Точнее, смонтировали все в авторучке, оставив за ней способность писать.
Впрочем, кроме обычного, вы при желании можете сразу написать ею электронное послание. Дело в том, что одна из моделей электронных ручек обладает способностью переводить написанные строки сразу в цифровой код, который может быть передан, например, в виде SMS-сообщения.
А одна из венгерских фирм в дополнение ко всему снабдила свою электронную ручку еще и специальными чернилами, которые становятся видны лишь в ультрафиолетовом свете. Говорят, что писать такой ручкой можно не только на бумаге, но и, скажем, на одежде — при желании чернила затем легко смыть водой. Предназначена подобная новинка не столько для шпионов, сколько для обычных школяров и студентов. Точнее, для тех из них, которые обожают использовать шпаргалки при сдаче экзаменов и зачетов.
Впрочем, на каждую хитрость всегда отыщется своя антихитрость. Преподаватели, прослышав про такую новинку, тут же заказали специальные фильтры к очкам. Глядя сквозь них, можно обнаружить тайнопись с расстояния в несколько метров.
Жужжащие сыщики приступили к работе
Мы уже не раз рассказывали вам (см., например, «ЮТ» № 8 за 2000 г.) о том, как агенты спецслужб стараются научить пчел отыскивать взрывчатку, наркотики и иные запрещенные к перевозке вещества. Эксперименты, похоже, закончены, и жужжащие сыщики приступили к несению службы в парижском международном аэропорту «Шарль де Голль».
В своей работе агенты службы безопасности используют своеобразный прибор, разработанный сотрудниками английской фирмы «Инсентинел». Специальная трубка-щуп запускается внутрь контролируемого контейнера или даже просто подносится к подозрительному чемодану. Небольшим насосом откачивается воздух, который попадает в отсек, где содержится с десяток пчел. Почуяв запах взрывчатки, они меняют тон жужжания.
Говорят, что пчелы превзошли даже признанных экспертов — специально дрессированных собак-нюхачей. Для того чтобы обучить пса профессии таможенника, необходимо около 5 месяцев времени и порядка 15 000 евро. На подготовку же пчел к работе уходит всего полчаса. Причем собаки в течение смены вынуждены несколько раз отдыхать, пчелы же работают без отдыха. В крайнем случае, сменить дежурную команду на свежую партию пчел — минутной дело…
ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
А есть ли «световой барьер»?
Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) сообщили, что ими получены данные о непостоянстве скорости света. Если эти результаты будут подтверждены другими исследователями, то все существующие сегодня представления о картине мироздания, в том числе и знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна, будут поставлены под сомнение.
