Физика

Уникальные свойства графена — его электро- и теплопроводность, а также механическая прочность — делают его очень перспективным материалом для создания разнообразных плёнок и покрытий. Два основных подхода к созданию таких покрытий, существующие сегодня — это выращивание кристаллов графена путём осаждения атомов углерода из содержащих углерод газов на подложку и нанесение на поверхность суспензии, содержащей чешуйки графена размером до нескольких микрометров. Первый способ позволяет получить идеальные монокристаллы, однако требует высоких температур, идеально чистых ингредиентов, специальных подложек. Он применим прежде всего в микроэлектронике, для создания графеновых электронных компонентов.

Второй способ — гораздо более неприхотлив, но вместо монокристаллического графена на поверхности образуется слой из множества перекрывающихся чешуек графена с далёкой от идеальной структурой — для многих применений достаточно и этого. Для улучшения качества такого покрытия используются разные способы — отжиг, плазменная или химическая обработка. Учёные из Иллинойсского университета в Чикаго совместно с коллегами из Южной Кореи разработали простой и хорошо масштабируемый вариант второго способа получения графенового покрытия без какой-либо постобработки.


Стеклянная пластинка с графеновым напылением и её поверхность под электронным микроскопом

Знаете, меня порой удивляет причудливая структура общественного мнения. Взять к примеру технологию 3D-визуализации. Огромный общественный резонанс вызывают в последнее время технологии очков виртуальной реальности: Oculus Rift, Google Glass. Но ведь ничего нового тут нет, первые шлемы виртуальной реальности появились ещё в конце 90-х. Да, они были сложны, они опередили своё время, но почему тогда это не вызывало такого WOW-эффекта? Или 3D-принтеры. Статьи о том, как они круты или как быстро они захватят мир появляются в информационном поле два раза в неделю последние года три. Я не спорю, это круто и мир они таки захватят. Но ведь эта технология была создана ещё в 80х и с тех пор вяло прогрессирует. 3D-телевидение? 1915 год…

Технологии все эти хороши и любопытны, но откуда столько шумихи из-за каждого чиха?

Что, если я скажу, что в последние 10 лет была изобретена, разработана и внедрена в массовое производство технология 3D съёмки, очень сильно отличающаяся от любой другой? При этом технология уже повсеместно используемая. Отлаженная и доступная простым людям в магазинах. Вы слышали про неё? (наверное только специалисты по робототехнике и сопутствующим областям науки уже догадались, что я говорю про ToF-камеры).

Что такое ToF камера? В русской Википедии (англ) вы не найдёте даже коротенького упоминания о том, что это такое. «Time of flight camera» переводится как «Времяпролётная камера». Камера определяет дальность через скорость света, измеряя время пролёта светового сигнала, испускаемого камерой, и отражённого каждой точкой получаемого изображения. Сегодняшним стандартом является матрица 320*240 пикселей (следующее поколение будет 640*480). Камера обеспечивает точность измерения глубины порядка 1 сантиметра. Да-да. Матрица из 76800 сенсоров, обеспечивающих точность измерения времени порядка 1/10,000,000,000 (10^-10) секунды. В продаже. За 150 баксов. А может вы ею даже пользуетесь.
А теперь чуть подробнее про физику, принцип работы, и где вы встречали эту прелесть.

На сегодняшний день наблюдается повышенный интерес к уменьшению загрязнения окружающей среды. Кроме возобновляемых источников питания, как замену традиционной энергетике, рассматриваются различные варианты замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях, как источника локального загрязнения.

Здесь уже ранее обсуждалась тема электромобилей:

Современные электромобили – история от истоков к горизонтам
Использование батарей после окончания срока службы
Производство аккумуляторов компанией Тесла
Ближайшее будущее аккумуляторных батарей

Но настолько ли это хорошая идея с точки зрения безопасности?

Термоядерный реактор ITER — маленькая копия Солнца

После нескольких лет задержек наконец-то началась работа по сборке ключевых компонентов ITER — катушек тороидального поля.

Одни из самых крупных компонентов термоядерного реактора делает подрядчик CNIM. Он занимался судостроением, прежде чем переключился на точное машиностроение. Расположение завода в Ла-Сейн-сюр-Мер в пригороде Тулона (Франция) на побережье является преимуществом, потому что некоторые из компонентов настолько громоздки, что их можно транспортировать только морем.

Ребята из команды Аrcattack, можно сказать, занимаются популяризацией науки. Делают это они посредством проведения разного рода шоу, где задействованы физические явления. В основном, это высокое напряжение, разряды и молнии.

К примеру, команда играет на гитаре на сцене, где в гитариста бьют миниатюрные молнии (правда, такая молния может убить любого человека, не будь у того защиты).

На днях один из представителей команды, Стивен Вард, продемонстрировал пушку Тесла.

Недавно, несколько ведущих мировых специалистов в области трибологии опубликовали отчет под названием «Global energy consumption due to friction in trucks and buses», что в вольном переводе звучит как «Глобальные потери энергии в результате трения в автобусах и грузовиках». Основные моменты:

• В 2012 году, при эксплуатации мирового парка грузовиков и автобусов, 180 000 миллионов литра топлива расходуется только на преодоление сил трения.
• «Новая трибология“ может сохранить 105 000 миллионов евро и 75 000 миллионов литров топлива ежегодно, при этом ожидается сокращение выбросов СО₂ на 200 миллионов тонн.

Специалисты из Техасского университета в Остине собрали самый маленький и быстрый в мире искусственный мотор. По заявлениям разработчиков, мотор размером 1 микрометр вращался 15 часов, разгоняясь до 18 000 RPM (300 оборотов в секунду). Общее количество оборотов превысило 240 000. Это значительное достижение, потому что предыдущие модели таких моторов вращались не более чем на 5000 RPM всего несколько минут.

На международных краудфандинговых платформах уже довольно давно наблюдается интересная тенденция: сбор денег на разного рода научно-популярные и научные проекты. Конечно, обывателю сложно определить, насколько реальным является тот либо иной научный проект, чем пользуются мошенники, но есть и вполне добропорядочные «белые» проекты.

На днях было объявлено начало сбора средств на недорогой термоядерный реактор, стоимость которого, по словам разработчиков, может достигать не сотен миллионов и миллиардов долларов, а всего 300 тысяч. Причем реакция, снова-таки, по словам разработчиков, будет контролируемой. Насколько это вероятно — предлагаю обсудить в комментариях к этому материалу.

Ни для кого не секрет, что ветер дует лишь потому, что деревья качаются. Однако ребята из NASA JPL (и не только они) решили пойти дальше, чем герой известной комедии «Деловые люди», и успешно изучают ветер прямо из космоса. Каким образом? Об этом расскажу под катом.

Выражение «Гвоздь программы» возникло после всемирной выставки 1889 года в Париже, на которой открытие Эйфелевой башни, которую быстро окрестили гвоздем, произвело мировую сенсацию. башня оказалась шедевром и следующие 40 лет в мире не могли построить ничего подобного.

Мало кто знает, но конструкция эйфелевой башни это не предел инженерной мысли 19 века, это просто прыжок выше головы — ничего подобного эйфелю инженеры не могли придумать ни до, ни 30 лет позже (до постройки шуховской башни в москве в 1922). А все потому, что Эйфель украл свое избретение у природы.


Помните картинку из учебника? берцовая кость человека легко выдерживает вес в полторы тонны. Но как?

Обычно, когда заходит речь о графене, сразу возникают ассоциации с чем-то микроскопическим, невидимым невооруженным взглядом, и, пока что, не имеющим какого-либо практического применения за пределами лабораторий. Такое впечатление усиливается после прочтения новостей о последних «прикладных» открытиях — будь то «самый тонкий двигатель», или «самый тонкий и гибкий транзистор». Однако, помимо таких хоть и полезных, но (пока) далеких от реальной жизни применений, есть области, где графен может применяться прямо сейчас, причем в макроскопическом масштабе. Одна из них — трибология.

Современное состояние ракетных двигателей говорит нам, что дорога к Марсу будет долгой. Перелёт по баллистической траектории без включения двигателей займет примерно два года, а имеющие небольшую тягу электрореактивные двигатели не смогут сильно сократить срок полёта. В таких условиях в списке важных вопросов оказывается организация питания. Еда, к сожалению, имеет вес, который надо разгонять к Марсу, экипаж производит отходы, которые надо выбрасывать или рециркулировать, в целом, различных инженерных вызовов эта проблема создает немало. О них мы и поговорим.

Радиотелескоп обсерватории Аресибо — крупнейший в мире из использующих одну апертуру. Диаметр его отражателя, расположенного в естественной карстовой воронке, — 304,8 метра. В апреле этого года сотрудники лаборатории опубликовали результаты наблюдений, которые подтверждают существование такого феномена как короткие радиовыспышки (Fast Radio Burst или FRB). Впервые такая вспышка была зарегистрирована в 2007 году радиотелескопом обсерватории Паркс в Австралии. В течение последующих лет было обнаружено ещё несколько вспышек, но все они были зарегистрированы тем же самым радиотелескопом. Теперь существование FRB получило независимое подтверждение.

Интерес астрономов к коротким радиовспышкам вызван тем, что они приходят с очень больших расстояний — порядка миллиардов световых лет, что говорит об их огромной яркости. Мощность такой вспышки, длящейся всего около миллисекунды, сопоставима с гамма-всплесками, которые сопровождают взрывы сверхновых и рождение чёрных дыр. Астрономы предполагают, что источником таких вспышек служит ранее неизвестная разновидность космических объектов — блицары. Поэтому подтверждение их существования имеет огромное значение, сравнимое с открытием пульсаров в 1967 году.

Художественное представление Млечного пути и сверхскоростной звезды, которая улетает из нашей галактики

Астрономы из университета Юты обнаружили сверхскоростную звезду LAMOST-HVS1, которая по многим параметрам выделяется среди двух десятков таких странных звёзд, замеченных до настоящего времени (первую сверхскоростную звезду обнаружили в 2005 году). Во-первых, это вторая по яркости среди них. Во-вторых, самая ближняя к нам. В-третьих, она улетает гораздо быстрее, чем обычные сверхскоростные звёзды. Эти характеристики позволяют использовать LAMOST-HVS1 как инструмент для научных измерений.

LAMOST-HVS1 движется со скоростью примерно 620±10 км/с относительно Солнечной системы и примерно 477±10 км/с относительно центра нашей галактики. Интересно, что её возраст учёные оценивают всего в 32 млн лет, что можно назвать младенческим возрастом по звёздным меркам.

Один из вариантов мечты об облегчении доступа в космос — это Single Stage To Orbit (SSTO). В теории, как обычно, всё красиво — изящные корабли разгоняются по взлетно-посадочной полосе, уходят в небо, разгоняются до космических скоростей, выходят на орбиту, выгружают полезную нагрузку, тормозят, и садятся на эту же взлетно-посадочную полосу. В реальности, опять же как обычно, различные проблемы, такие незаметные на стадии мечтаний и эскизного проектирования, привели к тому, что за всю историю космонавтики такие аппараты ещё не летали. В этом посте я бы хотел поговорить о том, почему так получилось. А ещё мы с вами полетаем на Skylon'e в Орбитере.

На втором курсе института, когда нам рассказывали «Историю науки», я помню, как слушал про студента, который забыл выключить тигель, и совершившего открытие, или одного известного ученого, получившего яблоком по голове, и думал, что это сказки, и в современной науке такого не бывает. В принципе, если посмотреть на публикации в топовых физических журналах, видно, что все они — результат долгого упорного копания в одном направлении. Новоселов с Геймом даже нобелевку получили не за открытие, как таковое, а за «планомерное исследование свойств». Но, тем не менее, открытия в современной науке все-таки случаются, и я хочу рассказать об одном из них, будучи его соавтором.

Любое обсуждение российского ракетостроения, можно превратить в многостраничный холивар, если написать слово из четырех букв: «Маск». Тут же найдутся его сторонники, которые вспомнят, что с Байконура летают ракеты, разработанные еще в 60-е, а компания Маска SpaceX появилась всего 12 лет назад, и уже делает многоразовую ракету. В ответ можно будет услышать про «секту любителей Маска» и эксцентричного шарлатана, который решил бросить вызов формуле Циолковского. В любом случае, равнодушные быстро покинут обсуждение, а неравнодушные продолжат схватку за свои идеалы.



Что же это за человек такой Илон Маск, почему его появление вынудило Роскосмос говорить о «наступающих на пятки конкурентов», а его марсианские мечты вдохновляют энтузиастов космоса по обе стороны океана?

Эта неделя оказалась урожайной на новости, связанные с прикладными применениями графена и других нано-материалов. Сначала был ультратонкий транзистор, теперь в том же журнале Nano Letters опубликовали статью о разработке молекулярного нано-двигателя, в котором графеновый слой играет ключевую роль. Этот двигатель состоит из высоко-эластичной мембраны, играющей роль поршня, и молекул ClF₃, являющихся рабочим телом. Объем рабочего тела изменяется под воздействием лазера. Нано-двигатель развивает давление до 10⁶ Па и выдерживает более 10 000 циклов.

Несмотря на то, что задача получения графена в промышленных масштабах до сих пор не решена, лабораторные способы его добычи иногда бывают исключительно простыми и доступными. Классический вариант — механическое расщепление крупинок графита с помощью обычного скотча, описанный в работе Константина Новосёлова и коллег в 2004 году. С этой работы фактически началась современная эпоха массового исследования свойств графена, а Новосёлов и его коллега Андрей Гейм за исследования графена получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

К сожалению, метод механического расщепления практически не масштабируется — после многократного расслаивания приходится искать крошечные, длиной порядка микрона, и практически прозрачные кристаллы с помощью микроскопа. Разработано несколько химико-механических методов расслаивания графена, при помощи ультразвука, растворителей и поверхностно-активных веществ. С помощью этих методов получают суспензию хлопьев графена в воде или растворителе — метод, вполне пригодный в лаборатории, но, как и механическое расщепление, пока не слишком хорошо масштабируемый.

В апрельском номере журнала Nature materials опубликовано исследование команды учёных из Англии и Ирландии, которые разработали весьма простой, и при этом имеющий хорошие перспективы масштабирования метод получения графена. Оказывается, крошечные чешуйки графена можно получать, обрабатывая суспензию графита миксером с достаточно высокими оборотами. В своей работе учёные в основном использовали лабораторный миксер L5M компании Silverson и специально подобранные реактивы, однако они опробовали свой метод и с обычным кухонным блендером Kenwood BL370 и жидкостью для мытья посуды Fairy в качестве поверхностно-активного вещества, не дающего хлопьям графена слипаться. Результаты получились вполне сравнимыми.


Блендер, процесс «взбивания» графена и одна из графеновых чешуек под микроскопом

Целью физики как классической науки является изучение закономерностей нашего мира. Большинство таких закономерностей уже достаточно изучены, чтобы применять их в повседневной жизни. И современные физики решили изменить масштаб исследований, как в одну, так и в другую сторону.