Юный техник, 2009 № 12

В. ВЛАДИМИРОВ

Обмундирование для «призраков» скоро будет готово

Много раз читал в «Юном технике», что ученые вплотную подошли к созданию метаматериалов и устройств, способных делать предметы не видимыми глазу. Но созданы ли уже первые «шапки-невидимки»?

Алексей Безродный, г. Тамбов

Мы и в самом деле уже не раз рассказывали вам об удивительных свойствах метаматериалов. Время идет, ученые работают и сообщают все новые подробности о своих разработках, но начать стоит с истории.

Еще в 1660 году французский математик Пьер Ферма (тот самый, что сформулировал условия своей знаменитой теоремы, которую удалось доказать лишь недавно, спустя 300 с лишним лет) выдвинул еще один постулат: он предположил, что луч света всегда выбирает кратчайший путь, то есть движется по прямой. А если встречается препятствие, часть лучей света рассеивается, часть отражается, благодаря чему мы и видим изображение предметов.

Но что, если изменить свойства участка пространства таким образом, чтобы световые лучи стали огибать его, считая именно этот путь самым коротким?

Уподобим окружающее нас пространство некой ткани, в которой составляющие ее волокна представляют собой траектории световых лучей. В обычном состоянии лучи идут прямо, как нити в полотне. Если же аккуратно раздвинуть волокна, не повреждая их, получится дырка — пустой участок, куда лучи света не попадают вообще. И любой объект, попавший в такую дыру, покажется невидимым.

Искривлять световые лучи ученые уже научились. Например, достаточно загнать их внутрь оптического волокна, и хоть в узел завяжи — луч света все равно не выйдет за его пределы.

Но можно ли проделать подобный «фокус» в пространстве?

Посмотрите хотя бы на карандаш, опущенный в стакан с водой. Видите, на границе воды и воздуха карандаш будто изломан, хотя на самом деле он цел-невредим. Такой обман зрения обеспечивает преломление света на границе двух сред — воздуха и воды.

Коэффициент преломления материала показывает, насколько луч отклоняется от прямой, когда переходит из одной среды в другую. Он определяется диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества. Подобрав вещества с определенными значениями этих двух параметров, можно, что называется, «поиграть» со светом, создавая странные эффекты.

Впрочем, чтобы создать «шапку-невидимку», придется соблюсти две тонкости. Во-первых, необходимо, чтобы луч света изгибался плавно. А для этого нужно, чтобы параметры среды менялись постепенно. Во-вторых, чтобы добиться невидимости, нужны материалы, у которых и диэлектрическая, и магнитная проницаемость меньше единицы.

В природе таких материалов просто нет, их пришлось создавать искусственно.

Впервые о возможности создания метаматериалов с необычными, заранее заданными качествами, как мы писали, еще в 1967 году заговорил советский физик Виктор Веселаго, сотрудник Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН.

Теоретики наши и по сей день на высоте — вспомним хотя бы о разработках ульяновского профессора Олега Гадомского, несколько лет назад опубликовавшего еще одно сенсационное исследование подобных материалов — он доказал возможность получения эффекта невидимости в тонких золотых пленках. А вот с практикой дело сложнее.

Впервые создать метаматериал с определенными свойствами удалось в 2000 году американцам. Шесть лет спустя группа ученых США и Великобритании под руководством профессора Дэвида Смита сконструировала и прототип устройства, которое могло скрыть объект от микроволнового излучения.

Первая в мире «шапка-невидимка» представляла собой десяток вложенных друг в друга цилиндров из печатных плат с «вставленными» в них резонансными элементами. В самый маленький цилиндр исследователи спрятали медный стержень. Затем всю конструкцию «прощупали» электромагнитным излучением, наблюдая за его отражением. Устройство действительно создавало иллюзию пустого пространства.

Правда, выявились и слабые места конструкции. Во-первых, «шапка» оказалась более-менее эффективной только для очень узкого диапазона электромагнитных волн (8,5 гигагерца), а при малейшем изменении частоты эффект тут же исчезал.

Во-вторых, «шапка-невидимка» сильно поглощала излучение. Электромагнитная волна, прошедшая через оболочку, на выходе теряла почти всю энергию. Если бы речь шла об оптическом диапазоне, наблюдатель увидел бы либо очень слабое изображение предмета, который должен находиться за «шапкой-невидимкой», либо просто темное пятно.

Тем не менее, начало было положено. И вскоре та же группа ученых разработала уже не «шапку», а скорее «плащ-невидимку». Вместо экрана из диэлектрика, который должен скрывать предмет полностью, исследователи предложили сделать на нем покрытие из проводящих материалов. Если объект спрятать под такую «накидку», то лучи будут отражаться от него, словно от плоской поверхности. А значит, хотя сама «накидка» и будет видна, наблюдатель не узнает, что за ней спрятано.

В мае 2009 года две американские научные группы из Корнеллского и Калифорнийского университетов заявили, что им удалось существенно улучшить результаты предшественников; они вплотную приблизились к видимому диапазону электромагнитного спектра.

Для этого группа из Корнеллского университета (руководитель Михаль Липсон) использовала в качестве основы двуокись кремния с вкрапленными в нее крупинками кремния диаметром 50 нанометров. Их коллеги из Калифорнии, возглавляемые Сян Чжаном, сделали из двуокиси кремния с прорезанными в нем отверстиями диаметром 110 нанометров «коврик»-покрытие. Оба устройства эффективно работают в инфракрасном диапазоне волн, который граничит с видимой красной частью спектра.

Аналогичное устройство разрабатывают физики Университета Пердью в Уэст-Лафейетте (штат Индиана). Как рассказал работающий в США российский физик Владимир Шалаев, возглавляющий группу создателей этой «шапки», пока существует лишь математическая модель будущей конструкции. По описанию физика, «конструкция, воплощенная в реальные материалы, будет представлять собой полый стеклянный цилиндр с толстыми стенками. Внутри, перпендикулярно к вертикальной оси цилиндра, разместятся крохотные наноиголки из золота или серебра. Именно их размер и определяет, на каких длинах волн будет работать устройство»…

Благодаря «иголкам», показатель преломления, определяющий распространение света в среде, меняется от нуля на внутренней поверхности цилиндра до единицы на внешней, что соответствует показателю преломления воздуха. В результате свет плавно «обтекает» цилиндр, не испытывая рассеивания или отражения, не проникая во внутреннюю полость конструкции.

А видимый свет, как известно, представляет собой «смесь» лучей голубого, синего, зеленого, красного и других цветов радуги. Изменяя размеры наноиголок, пояснил Шалаев, можно создать шапку-невидимку для любого из этих диапазонов, но не для всех сразу. Пока еще никто не знает, как изготовить «шапку-невидимку» для естественного света, поскольку здесь есть фундаментальные ограничения. Кроме того, оптические свойства реальной атмосферы весьма сильно зависят от погоды. Но Шалаев убежден, что все трудности со временем будут преодолены.

P.S. Пока материал готовился к печати, пришла новость из Китая. Группа исследователей КНР теоретически доказала, что можно спрятать объект, даже если он находится не под покрытием, а снаружи. Как такое может быть, пока не понятно. Подождем новых вестей. Охота за невидимостью продолжается…

Кстати…

ТЕПЕРЬ ЕЩЕ И НЕСЛЫШИМОСТЬ…

Две группы акустиков из университета Дьюка, США, и Гонконгского научно-технологического университета независимо друг от друга доказали теоретически возможность создания абсолютно непроницаемого для звуков покрывала.

Правда, материал для такой оболочки должен обладать весьма своеобразными свойствами, в частности, разной плотностью и сжимаемостью на разных участках. В природе подобные материалы не встречаются, так что и здесь придется использовать метаматериалы. При этом исследователи исходят из того, что звуки, как и видимые образы, передаются при помощи волн.

Таким образом, есть надежда с помощью метаматериалов создать цилиндрическую оболочку, закрывающую объект от акустических колебаний, распространяющихся перпендикулярно оси цилиндра.

Такое устройство уже разрабатывают сотрудники Политехнического института Валенсии — колонны в концертных залах с таким покрытием перестанут искажать распространение звуков по залу. И это лишь первое из множества возможных применений. Неплохо бы, например, использовать подобное покрытие на моторных гондолах самолетов, чтобы они перестали оглашать окрестности аэропортов ревом своих двигателей.

Костюм для невидимки пока можно создать лишь на экране компьютера с помощью математического моделирования.

У СОРОКИ НА XBOCTЕ

БЕССМЕРТНАЯ МЕДУЗА. Медуза Turritopsis Nutricula, которая считается одним из немногих на планете бессмертных существ, оказалась под пристальным наблюдением ученых. Генетики и специалисты по биологии моря активно изучают медузу, чтобы понять, как же ей удается обращать вспять процесс старения. Ведь, достигнув зрелости, эта морская красавица, вопреки всем законам природы, вновь становится молодой, а затем повторяет этот цикл.

Возможно, через несколько лет секрет бессмертия медузы будет раскрыт, пока же ученые бьют тревогу по другому поводу. Учитывая, что Turritopsis Nutricula не умирают естественной смертью, они способны, размножившись, нарушить равновесие в природе. И первые предпосылки к этому уже есть. Изначально бессмертные медузы обитали лишь в водах Карибского бассейна, а теперь проникли и в другие моря и океаны.

ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОСТЬ МЕШАЕТ. К такому неожиданному выводу пришли британские психологи. Эксперименты, проведенные членами Британской ассоциации психологов, показали, что 40-минутное общение с красивой женщиной значительно снижает интеллектуальные способности любого мужчины. Так что если вас ждет экзамен или серьезные деловые переговоры, то свидание лучше перенести на другое время. При этом, кстати, женщине общение с понравившимся ей мужчиной не мешает.

ЛУЧШЕ В ПРАВОЕ УШКО. То, что люди лучше воспринимают речь правым ухом, а музыку — левым, известно давно. Так проявляется функциональная асимметрия полушарий головного мозга — сигналы из правого уха идут в левое полушарие, анализирующее речевые сообщения, а музыку мы воспринимаем правым полушарием, где конструируются образы.

Еще одно тому подтверждение получили недавно итальянские нейрофизиологи Лука Томмаси и Даниэле Марцоли, наблюдая за общением 286 посетителей ночного клуба, где было довольно шумно. Оказалось, что 72 % из них поворачивались к собеседникам правым ухом, когда те хотели что-то им сообщить. Причем среди «правоухих» большинство были женщины.

Так что если вы хотите, чтобы к вашим просьбам отнеслись с большим вниманием, лучше всего излагать их в правое ухо. И уж, конечно, не громко. Именно такой вывод сделали из своих исследований специалисты.

КОМУ СКОЛЬКО ХОДИТЬ? Сколько шагов надо проходить ежедневно, чтобы поддерживать себя в хорошей физической форме? Но мнению шведских физиологов, мальчикам в возрасте от 6 до 12 лет надо делать в день 15 тысяч шагов, а девочкам — 12 тысяч. Взрослым в возрасте до 50 лет необходимо делать в день 12 тысяч шагов. Мужчинам старше 50 рекомендуется 11 тысяч шагов, женщинам — 10 тысяч, после 60 лет — 8 тысяч шагов в день. Иначе излишний жирок и сердечно-сосудистые заболевания вам обеспечены.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

На Титане живут титаны?

Недавние исследования Титана — одного из спутников Сатурна — показали его большое сходство с Землей. Причем имеется в виду не только сходный рельеф поверхности, но и многие геофизические, климатические процессы, происходящие там, утверждает сетевое издание Space.com.

Начнем хотя бы с того, что Титан — единственный спутник в Солнечной системе, имеющий плотную атмосферу и стабильное количество жидкости на поверхности. Правда, предполагается, что природные водоемы Титана заполнены не водой, а сжиженными при низкой температуре углеводородами — такими, как метан (или этан).

Дело в том, что средняя температура поверхности на Титане колеблется около -180 °C; в таких условиях жидкой воды быть не может. А потому на Титане роль воды в цикле испарения и выпадения осадков играет метан, он же может быть в виде газа, жидкости и в твердом состоянии. Потоки метана могут образовывать на поверхности спутника каналы и озера, вызывать эрозию, довершая формирование метеоритных ударных кратеров. Причем, как заметили исследователи, кратеры на Титане бывают не только ударные, но и вулканические.

Казалось бы, какие вулканы могут работать при почти 200-градусных морозах? Однако, как полагает сотрудник НАСА Роберт Нельсон, вулканизм, который имеет место на Титане, ввиду крайне низкой температуры спутника не случайно называется криовулканизмом. При сверхнизких температурах извергается не расплавленная горная порода, магма, а жидкая смесь водного льда и аммиака.

Новые снимки, полученные с окраины Солнечной системы, свидетельствуют о том, что существующие на поверхности Титана отложения аммиака формируются именно вследствие таких криоизливаний. «Аммиак вместе с метаном и азотом — основными компонентами атмосферы Титана — воспроизводит химию окружающей среды, существовавшей на Земле в то время, когда на ней только зарождалась жизнь», — отметил Нельсон.

«Ни одно из тел Солнечной системы не имеет такого сходства с Землей, как Титан, несмотря на огромную разницу в температуре и прочих факторах окружающей среды», — поддержала своего коллегу, представляя данные последних наблюдений космической экспедиции «Кассини-Гюйгенс», Розали Лопес из Лаборатории реактивного движения НАСА. На недавней ежегодной встрече Международного астрономического союза, которая прошла в Рио-де-Жанейро, она рассказала, что на Титане льют дожди, дуют ветры, извергаются вулканы и происходят тектонические сдвиги. На снимках, переданных автоматическим зондом-разведчиком, хорошо видны изображения поверхности Титана. Там есть кратеры, горные цепи, дюны и своеобразные озера. Причем ныне у ученых есть данные лишь об одной трети поверхности Титана. Но со временем, как они надеются, радар на борту зонда, вращающегося вокруг спутника Юпитера, передаст данные и о большей площади. Ведь Титан по размерам сопоставим с планетой Марс.

Правда, ему достается 1 % солнечного излучения от того количества, которое доходит до Земли. И потому с нашей земной точки зрения на Титане очень холодно. Однако, как показывает практика, низкая температура не может служить чересчур уж большим препятствием для развития жизни.

И.ЗВЕРЕВ

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Золотое дерево

Его создали недавно вовсе не ювелиры, а американские исследователи. А понадобилось оно ученым для иллюстрации процесса фотосинтеза, который они решили воспроизвести без помощи зеленых растений.

Растения и некоторые другие организмы на планете Земля используют процесс фотосинтеза на протяжении как минимум 3,5 млрд. лет. И за это время природа разработала весьма остроумные реакции и комбинации белка со светопоглощающим красителем, которые помогают более-менее эффективно преобразовывать солнечный свет в энергию. Поэтому, чтобы не изобретать велосипед заново, Кейн Дженнингс и Питер Сишельски из Вандербильдского университета в Нэшвиле решили использовать патенты природы для создания своего собственного фотосинтезирующего устройства.

В этой работе они использовали также результаты исследований своего коллеги Элиаса Гринбаума, который в конце 90-х годов XX века смог извлечь из листьев шпината протеиновый комплекс, известный как PS1, и перенести его на золотую подложку, сохранив все его свойства.

«С тех пор, как процесс извлечения PS1 из растений был усовершенствован, мы задумались об использовании этих светопоглощающих белков для создания искусственных листьев», — вспоминает Дженнингс.

Устройство Дженнингса и Сишельски использует выпускаемые промышленностью тонкие листы из сплава серебра и золота. Их обрабатывают концентрированной азотной кислотой, чтобы серебро растворилось. При этом в оставшейся золотой подложке образуются крошечные поры-углубления наноскопических размеров в тех местах, где раньше размещались молекулы серебра.

В результате появляется хорошо обработанная поверхность, позволяющая разместить на ней большое количество PS1-комплексов. А сама золотая подложка в результате химической обработки истончается настолько, что становится прозрачной.

Когда искусственный лист подвергается воздействию света, PS1 генерируют поток электронов, и золотые «листья» вырабатывают ток величиной 8 наноампер на каждый квадратный миллиметр площади.

Конечно, это немного, но ученые уже работают над усовершенствованной моделью. «В данный момент мы занимаемся исследованием PS1-пленок толщиной до 1 мм, которые смогут вырабатывать до 0,02 мкА/мм2 и питать обычный калькулятор», — говорит Дженнингс.

Тем не менее, и эти устройства не смогут соревноваться в эффективности с лучшими солнечными батареями на основе кремния. А к тому же прямые солнечные лучи могут разрушить PS1-белки.

А пока, как отметил Гринбаум, полученные его коллегами результаты представляют большую ценность прежде всего «в изучении биологических процессов преобразования солнечной энергии».

(По материалам интернет-сайта 3dnews.ru)

ВЕСТИ С ПЯТИ МАТЕРИКОВ

РУБИК ТЕПЕРЬ НЕ КУБИК. Известный венгерский изобретатель Эрно Рубик теперь предлагает вниманию любителей головоломок свою новую разработку под названием «Сфера». Она и в самом деле представляет собой три прозрачные сферы, вложенные друг в друга. На поверхности верхней оболочки расположено б цветных «карманов», в которые надо уложить полдюжины шариков соответствующих цветов, первоначально находящихся внутри самой малой сферы. Провести шарики изнутри к наружной сфере нужно через систему отверстий, поворачивая всю игрушку так и этак. Тут требуется не только сообразительность, но и ловкость рук.

ЦВЕТ ПРЕДУПРЕЖДАЕТ О ПЕРЕГРУЗКАХ. Таким интересным свойством наделен новый полимер, созданный исследователями Университета штата Иллинойс, США. Если на него чересчур сильно надавить, он краснеет, как бы предупреждая об опасности. Полагают, что новый материал может найти применение при создании новых самолетов, мостов и иных конструкций, испытывающих переменные нагрузки.

КОСМИЧЕСКИЙ КАМИКАДЗЕ. Как известно, космический мусор представляет угрозу действующим спутникам и космическим кораблям. Вспомните хотя бы недавний случай столкновения двух спутников. Вот японские специалисты и создали робота-уборщика, уничтожающего космический мусор. Обнаружив бездействующий спутник, робот вцепляется в него рукой-манипулятором и, словно камикадзе, бросается вниз, сгорая вместе с мусором в атмосфере. При массе около 140 кг робот обладает недюжинной силой — способен тормозить вращение вокруг Земли предназначенного для уничтожения объекта.

АВТОМОБИЛЬ — ПАМЯТНИК предшественнику создали конструкторы итальянской фирмы Bizzarini. Полвека тому назад они представили публике гоночный автомобиль, который тогда привлек внимание всех своими дверьми, откидывающимися вверх, словно крылья. Теперь эта идея продублирована еще раз. В остальном же новый автомобиль использует последние достижения науки и техники наших дней. Кузов выполнен из углеволокна, 7-литровый двигатель развивает мощность 505 л.с., что позволит развивать скорость выше 300 км/ч.

Раритетную модель предполагается выпускать в двух модификациях — как кабриолет с откидным верхом для жарких стран и как машину с жесткой крышей для жителей государств с прохладным климатом. Однако в обоих случаях эксклюзивная машина по карману лишь мультимиллионерам.

ПОГОВОРИТЕ С МОНОЙ ЛИЗОЙ. Это теперь вполне возможно, утверждают создатели голографической выставки самых популярных произведений живописи, которая открылась недавно в Пекине. Кроме знаменитой Моны Лизы, теперь как бы ожили «Послы» Ганса Гольбейна, участники «Тайной вечери» и некоторые другие персонажи.

Всего китайские инженеры «оживили» 60 полотен известных мастеров с помощью ЗD-анимации, синтезатора и системы распознавания речи. Последняя понадобилась, чтобы персонажи картин могли понять, о чем именно спрашивают их посетители. При этом и Мона Лиза, и Иисус Христос, и все прочие персонажи картин говорят исключительно по-китайски.