Физикам Калифорнийского университета в Риверсайде впервые удалось надежно установить существование двухатомной молекулы Ps2 из смеси вещества и антивещества. Она напоминает молекулу водорода H2, но вместо атомов водорода ее образуют атомы позитрония Ps, у которого в ядре вместо обычного протона находится антиэлектрон – позитрон.
Существование позитрония было предсказано еще в 1930-х, а впервые он был получен в пятидесятые годы. По своим свойствам позитроний похож на водород, но он примерно в две тысячи раз легче, поскольку масса позитрона и все остальные свойства (кроме заряда) у него такие же, как у электрона. Электрон уже не вращается вокруг тяжелого протона, а находится в равном положении с позитроном, и оба движутся вокруг общего центра масс.
Позитроний – идеальный объект для самой точной проверки основ физических теорий, но практического применения пока не нашел. Слишком мало его время жизни – 125 пикосекунд или 142 наносекунды, в зависимости от взаимной ориентации спинов электрона и позитрона. Затем электрон и позитрон аннигилируют, превращаясь в несколько гамма-квантов – фотонов с большой энергией. Если атом позитрония находится в возбужденном состоянии и электрон с позитроном отстоят друг от друга подальше, то время жизни атома увеличивается до миллисекунд, но сути дела это не меняет. Собственно, поэтому так трудно использовать позитроний и получать из него молекулы. В то же время сами частицы вещества широко используются не только в исследовательских лабораториях, но и в больницах (в позитронно-эмиссионных томографах). Позитроны можно получить в результате распада ряда изотопов и, если нужно, накопить в вакууме в электромагнитной ловушке.
Так поступили ученые и на сей раз, накопив около 20 млн. позитронов, полученных в результате распада натрия-22. Затем все их «выплеснули» на тонкий слой пористого кварца. Пористый кварц необходим в качестве источника электронов для образования позитрония и как поглотитель лишней энергии, выделяющейся при образовании атомов позитрония, а затем и молекул из них. Позитроний образуется на поверхности пор, которая его стабилизирует и удерживает. Специальная конструкция установки позволила добиться высокой концентрации позитрония в порах, и прежде чем он аннигилировал, успело образоваться около ста тысяч молекул позитрония Ps2. Это удалось доказать, измерив зависимость скорости аннигиляции позитрония от температуры. Молекулы позитрония не очень похожи на обычные молекулы. Они представляют собой некий «суп» из четырех частиц одинаковой массы и аннигилируют быстрее атомов, поскольку в них антивеществу легче встретиться с веществом. А чем выше температура кварца, тем меньше шансов на образование молекул. Поэтому зарегистрированное снижение скорости аннигиляции с ростом температуры косвенно, но достаточно надежно свидетельствует о том, что молекулы из позитрония все-таки образуются.
Первооткрыватели считают, что дальнейшее совершенствование технологии и повышение концентрации позитрония позволит получать из него более сложные молекулы и даже кристаллы, а охлаждение до 15 градусов Кельвина приведет к образованию из позитрония конденсата Бозе-Эйнштейна. Тут можно надеяться на новые интересные результаты в физике и химии антивещества. А поскольку позитроний – очень мощный источник энергии, можно рассчитывать на создание гамма-лазера, способного «просвечивать» фотонами атомные ядра. ГА
Лямка прогресса
Любопытное приспособление для подзарядки мобильных устройств предложили ученые из Аризонского университета в Темпе, Мичиганского технологического университета в Хоутоне и небольшой компании NanoSonic. Новые лямки для рюкзака способны если не решить проблему, то хотя бы облегчить тяжкую аккумуляторную ношу путешественников и военных.
По статистике, в склонной к всяческим инновациям американской промышленности внедряются в основном те изобретения, которые имеют не больше двадцати процентов новизны. Слишком велик риск, если надо все переделывать, поэтому конструкторы предпочитают что-то менять, ничего не меняя. Вот и в новом рюкзаке, предназначенном для американских пехотинцев, нужно поменять только лямки. Тогда он будет генерировать около 46 мВт энергии, если стандартные сто фунтов (45 кг) нести со скоростью 3—5 километров в час.
Лямки изготовлены из поливинилиденфторида (PVDF) – внешне похожего на нейлон, прочного и гибкого материала, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. При ходьбе из-за перемещений туловища вверх и вниз натяжение и длина упругих лямок постоянно меняются, что используется для генерации электроэнергии. Самым трудным при изготовлении лямок был подбор токопроводящего покрытия для снятия вырабатываемых пьезоэлектриком зарядов. Электрод должен быть достаточно надежным и прочным. Для этих целей подошел разработанный в NanoSonic нанокомпозит MetalRubber толщиной 100 нм, способный растягиваться до десяти раз без потери проводящих свойств.
Это далеко не первый и не слишком эффективный рюкзак, способный вырабатывать электричество. Два года тому назад «КТ» писала о рюкзаке (#606), который в тех же условиях способен вырабатывать больше 7 Вт. Но там нужно менять всю конструкцию, обеспечив перемещение поклажи относительно станка на 5—7 см, а тут достаточно пришить новые лямки. Конечно, 46 мВ хватит лишь на то, чтобы работал фонарик или mp3-плеер, а чтобы минуту поговорить по сотовому телефону, придется в десять раз дольше заряжать аккумулятор. Это, конечно, лучше, чем ничего, но изобретателям еще есть над чем поработать. ГА
Чипы на столбах
Простой и недорогой способ изготовления из углеродных нанотрубок электронных схем любой сложности предложили ученые Тель-Авивского университета. Их метод позволяет размещать нанотрубки на любой подходящей поверхности и хорошо совместим с сегодняшними технологиями массового производства интегральных схем.
Первые образцы транзисторов и других электронных и логических блоков из углеродных нанотрубок и иных больших молекул были продемонстрированы около десяти лет тому назад, но проблема создания из них полноценных чипов до сих пор не решена. Как миллионы нанотрубок с нужными свойствами поместить в определенные места чипа, надежно прикрепить к другим компонентам схемы и проконтролировать их качество? А ведь одна-единственная ошибка, как правило, ведет к выбраковке всего устройства. В лабораториях давно пытаются отработать самые разные технологии – от выращивания нанотрубок сразу в нужном месте чипа до осаждения их из раствора. Но пока ни одна из методик не достигла нужных кондиций.
В новом методе сначала с помощью обычной фотолитографии на кремниевой пластине получают массив из высоких тонких столбиков. Затем между кончиками кремниевых столбиков выращивают туго натянутые углеродные нанотрубки. Свойства каждой такой нанотрубки можно тут же проконтролировать с помощью техники рамановской спектроскопии. После этого матрицу с трубками припечатывают к поверхности схемы, причем это можно сделать и до и после того, как остальные компоненты уже находятся на своих местах.
В экспериментах ученые продемонстрировали работоспособность нового способа. Высота кремниевых столбиков достигала 20 мкм, диаметр 4 мкм, а расстояние между ними 25 мкм. Нанотрубки переносились на подложку из оксида кремния и прикреплялись к электродам, находившимся на расстоянии до половины микрона друг от друга. Так был создан нанотрубочный транзистор, соединительные проводники и другие компоненты.
Не обошлось пока и без нерешенных проблем. К сожалению, нанотрубки не всегда надежно припечатываются к подложке, а между столбиками может не вырасти ни одной либо, наоборот, образоваться сразу несколько нанотрубок. Однако экспериментаторы с оптимизмом смотрят в будущее, надеясь решить эти проблемы, совершенствуя катализаторы и оптимизируя геометрию столбиков. ГА
Выжигаем по атомам
Ученые из Технологического института Джорджии предложили новую технологию, которую назвали термохимической нанолитографией. Технология бьет все мыслимые рекорды скорости, не требует вакуума, работая практически в любой среде, и позволяет получать рисунки с разрешением менее 12 нм.
Как известно, самым высоким разрешением сегодня обладают туннельные и атомно-силовые микроскопы, сканирующие своей иголкой поверхность и способные даже манипулировать отдельными атомами. Ученые давно мечтают приспособить эти чудесные инструменты для массового производства. В IBM, скажем, создали модификации таких микроскопов с целым массивом иголок, которые могут что-то делать одновременно, но до сих пор все разработки были слишком далеки от практики.
Теперь, похоже, мечты начинают сбываться. Предложенный в Джорджии метод чрезвычайно прост и эффективен – как раз то, что нужно технологам. Обрабатываемую поверхность покрывают тонким слоем специального термочувствительного полимера, а иголку атомно-силового микроскопа нагревают и проводят над поверхностью так, чтобы от нагрева изменилась химическая структура полимера. После того как нужный рисунок нанесен, на «обожженные» места можно химически осадить, например, металл проводника, протравить канавку или выполнить какую-нибудь другую операцию. Только подбирай подходящий полимер, что не слишком сложно, поскольку иголку можно нагреть до тысячи градусов.
