Заглянем в будущее - Семенов Николай Николаевич (читать хорошую книгу .txt) 📗
Итак, разные конструкции из одних и тех же атомов и молекул ведут себя по-разному. И физикам, которые занимаются поисками разных «ям» для одних и тех же веществ, предстоит еще много работы.
Каждое десятилетие приносит огромные успехи в создании новых материалов с замечательными магнитными свойствами. Одно из них — магнитную проницаемость — техники улучшают быстрыми темпами. Кажется, в два раза возрастает это важное для промышленности свойство каждые пять лет.
Магнитные свойства материалов характеризуют так называемой петлей гистерезиса, вид которой приведен в любом учебнике физики. Ученых, связанных с техникой, интересует как длина, так и ширина петли.
Варьируя их, они стремятся к двум целям. Чтобы, во-первых, в зазоре подковообразного магнита поле было как можно более однородным, то есть строго одинаковым во всех точках зазора. Во вторых, чтобы поле было сильным.
Нельзя сказать, что для достижения этих результатов еще имеются большие резервы. Исследователи уже близки к тому, чтобы выстроить параллельно магнитные «стрелочки» всех атомов сплавов кобальта, железа, никеля и марганца. И тогда будет получен предельно сильный постоянный магнит. Правда, есть одно «но». Теоретические расчеты показывают, что и в этом случае магнит будет не столь уж сильным. И чтобы усилить его, надо прибегнуть к электромагниту, то есть магниту с обмоткой, через которую идет ток.
Однако и постоянные магниты, пусть даже не очень сильные, нужны для разных областей техники. Достаточно напомнить, что качество микрофонов определяется качеством магнитов.
Все это довольно известные вещи; и поэтому стоит рассказать об одной линии действия науки, занимающейся улучшением качества магнитов, о которой читатель, возможно, не слыхал. Большие (многотонные) магниты высокого качества нужны для ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Что это за резонанс и зачем он нужен?
ЯМР — это мощный способ исследования структуры вещества. Если будет создан очень сильный и очень однородный магнит, то с помощью ЯМР удастся за какую-нибудь минуту узнать строение молекулы вещества и изобразить на экране, в какой последовательности связаны друг с другом ее атомы. Суть дела состоит в следующем.
У большинства атомных ядер (Я) имеется магнитный момент, то есть ядро ведет себя как магнитная стрелка (М). В зависимости от того, в каком окружении находится тот или иной атом, «магнитная стрелка» его ядра по-разному защищена от воздействия поля большого магнита, о котором идет речь. Это значит, что разные ядра находятся в отличающихся друг от друга собственных полях. Проведем мысленный эксперимент.
На исследуемое вещество, находящееся в зазоре магнита, наложим радиочастотное поле и начнем менять его частоту (сканировать — называют это действие). Все «магнитные стрелки» атомных ядер колеблются со своей собственной частотой, зависящей от того, в каком поле они находятся. А когда частота внешнего радиочастотного поля совпадает с собственной частотой ядра — стрелки, возникает резонансное (Р) поглощение. У каждого атома поглощение происходит при своей частоте. А она может быть зафиксирована приборами. Таким образом, зная изменение частоты внешнего поля, удается распознать все атомы.
Итак, хорошие сильные магниты — вещь полезная. Но, чтобы создать сильное магнитное поле, естественными магнитами не отделаешься. Нужны электромагниты, и притом со сверхпроводящей обмоткой.
Что такое сверхпроводимость, наверное, многие знают. Явление это открыто много десятилетий назад, но объяснить, почему при очень низких температурах электрический ток не испытывает никакого сопротивления в своем движении по проводу, удалось относительно недавно. При этом оказалось, что для создания теории не требуются новые принципы. Объяснение содержалось в законах квантовой механики, открытых, как известно, в 1926 году. Однако логическая дорожка, которая вела от генерал-закона к частному явлению сверхпроводимости, была покрыта густыми зарослями. Несмотря на то, что множество великолепных умов занимались ее поисками, удача открытия теории пришла более чем через тридцать лет. Американские физики Бардин и Купер, получившие Нобелевскую премию за создание теории сверхпроводимости, — люди высокоталантливые. Поэтому сказать, что им просто повезло, было бы несправедливо. Но нельзя забывать и того, что многие ученые (трудно, например, переоценить вклад, внесенный в проблему сверхпроводимости советскими физиками Л. Ландау, Н. Боголюбовым, В. Гинзбургом) подготовили почву, на которой выросла теория сверхпроводимости. Продолжая нашу аналогию со скрытой от глаз тропинкой, можно сказать, что исследователи, занимавшиеся проблемой сверхпроводимости до Бардина и Купера, обнаружили несколько несвязанных участков дорожки, а на долю будущих лауреатов выпало соединить эти отдельные участки в одну дорогу.
То обстоятельство, что создание теории явления оказалось таким сложным делом и потребовало труда целого поколения ученых, показывает, что объяснить его на страницах издания «Эврики» — вещь очень трудная. Кроме того, нельзя сказать, что теория завершена. Пока что она не способна дать инженерам конкретные рецепты, по которым они смогли бы добиться такого успеха, чтобы это свойство проявлялось при комнатной температуре.
Борьба за повышение температуры сверхпроводимости ведется неустанно. Рекорд, правда, сегодня невысок: пока еще минус 250 градусов. Таким образом, для использования сверхпроводимости на практике осталось сделать немало — повысить точку перехода в сверхпроводящее состояние, по крайней мере, на 300 градусов.
Ученые-теоретики усиленно заняты поисками систем, сверхпроводящих при комнатной температуре. Есть сырая идея о том, что такими системами могут быть «сандвичи» — вещества, состоящие из чередующихся молекулярных слоев диэлектрика и проводника.
Надо ли доказывать, сколь величественной является проблема поиска сверхпроводников, работающих при обычной температуре? Ведь какая будет получена огромная экономия при передаче энергии по проводам — ясно каждому!
Но стоит обратить внимание на другую вещь. Человечеству надоели выхлопные газы. Бензиновые и дизельные двигатели не доведут нас до добра. В Токио регулировщики уличного движения дежурят уже в противогазах. В больших городах в буквальном смысле слова нечем дышать. Неудивительно, что именно в Японии, плотно населенной и технически высокоразвитой стране, разрабатываются идеи магнитного транспорта, использующего даже существующие сверхпроводники, работающие только при температуре жидкого гелия. Японцы считают, что, несмотря на огромную дороговизну транспортной трубы-тоннеля, омываемого жидким гелием, за это дело стоит взяться. Каков же принцип действия «магнитного» транспорта?
Он хорошо известен. Помещенные на определенных расстояниях электромагниты «перебрасывают» небольшой вагончик друг к другу. Пройдя один магнит, вагончик по инерции и под действием тяжести устремится вперед и чуть вниз. Тут его подхватит второй магнит. Правда, движение будет происходить по слегка волнистой кривой, однако пассажиру это не причинит особых неудобств. Огромная скорость и практически отсутствие затрат энергии на движение окупят, по мнению японцев, расходы по поддержанию сверхнизкой температуры в минус 270 градусов.
Теперь ясно, что открытие сверхпроводников, работающих при обычных температурах, произвело бы революцию не только в технике электропередачи, но и на транспорте.
Сверхпроводимость — это еще в большой степени мечта. И, несмотря на то, что перспективы этой отрасли науки совершенно фантастичны, на развитии ее не сосредоточены такие силы, как на усовершенствовании полупроводников.
Создание новых полупроводящих материалов остается по-прежнему в центре внимания техники. Работы ведутся как в области улучшения свойств полупроводников типа кремния и германия, так и в области поисков поля у проводниковых сплавов типа арсенида галлия. Казалось бы, что делать исследователю с таким материалом, как кремний? Кремний — он кремний и есть!
