Космическая метла
Планеты Солнечной системы образовались из протопланетного диска. При этом каждая образующаяся планета, вращаясь вокруг звезды, с помощью гравитации стягивает на себя часть диска. Существуют модели этого процесса, и они неплохо предсказывают некоторые наблюдаемые параметры. Два серьёзных отклонения — масса Марса и суммарная масса пояса астероидов. В реальности масса Марса в 12 раз меньше, чем должна быть, а масса пояса астероидов меньше в 4 тысячи раз.
Исследователи из Челябинского государственного университета обратили внимание на то, что на поверхности астероидов видно множество относительно крупных камней, а пыли там нет. Между тем при столкновениях астероидов пыль образуется. Астероиды размером менее 100 км способны удержать не более половины частиц, которые образовались при соударении, а с мелких улетает всё. Кроме того, типичная современная скорость соударения тел в поясе астероидов 5 км/с, а на стадии образования планет она могла быть значительно выше, поэтому падение любого тела на поверхность астероида выбрасывает с его поверхности как минимум в 100 раз больший объём вещества.
Дальнейшее поведение пылинок зависит от их размера. Самые крупные падают на Солнце, самые мелкие получают при соударении такие скорости, что покидают Солнечную систему. Однако потеря массы за счёт этих эффектов не объясняет дефицит массы. Судьба частиц промежуточных размеров, 0,4—80 микрон, оказывается более замысловатой. Авторы проследили траектории 50 тысяч пылинок, «стартующих» с разными начальными условиями, и показали, что их начальные скорости, давление на них света и солнечного ветра (потока протонов и электронов) оказываются достаточными для того, чтобы они приблизились к Юпитеру. А он и рад их притянуть, ускорить и удалить из системы. Время, на которое программа моделировала движение пылинок, составляло 100 тыс. лет, но основные события занимали лишь треть этого времени.
Трофимов П. М., Горькавый Н. Н. Уменьшение массы главного пояса астероидов и зоны Марса вследствие солнечного излучения и влияния Юпитера. I. Численные расчёты эволюции пыли. Астрономический вестник, 2022, № 3, с. 198.
Крошки на воде
Поведение маленьких твёрдых частиц в жидкости важно, по крайней мере, в двух ситуациях. Во-первых, это важно для разных технологических процессов. Во-вторых, это важно для самой физики — мелкие частицы используются при изучении движения всяческих жидкостей. В этом случае их называют декорирующими частицами — сами они на движение жидкости не влияют, но дают возможность наблюдать это движение оптическими методами. А как ведёт себя такая частица в жидкости, тонет она или всплывает?
Хорошо известно: то, у чего плотность больше, чем у жидкости, — оно в жидкости тонет. А то, у чего плотность меньше, — всплывает. Да, это так — пока речь не заходит о микронах. Исследователи из Института физики твёрдого тела и Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау (г. Черноголовка), а также Московского института стали и сплавов наблюдали поведение частиц полиамида-12 и стеклянных пустотелых микросфер диаметром в десятки микрон в воде. Полиамид немного тяжелее воды, пустотелые тонкостенные сферы легче — то есть легче водяной сферы такого же диаметра. Средняя плотность стеклянных микросфер лежит в пределах от 0,25 до 0,4 г/см3. Казалось бы, полиамид должен тонуть, стекло — всплывать. Не тут-то было — они «прилипали» к поверхности воды. Исследователи наблюдали в микроскоп поведение частиц в капле воды, мирно лежащей на стеклянной подложке, и в капле, висящей на той же подложке после её переворачивания (в этом случае наблюдали снизу). В обеих ситуациях оба вида частиц располагались около поверхности капли, причём не торча из неё, то есть под поверхностью воды. А поверхность, как ни странно, изгибалась не более чем на 30 нм, то есть 0,1% от диаметра частиц.
Частицы явно притягивались к поверхности, но относились к ней деликатно.
Лебедева Е. В., Дюгаев А. М., Григорьев П. Д. Диагностика микрочастиц на поверхности воды. ЖЭТФ, 2022, вып. 5, с. 767.
Германий — гнёздышко для лития
Литиевые аккумуляторы есть почти везде, и главные их параметры — ёмкость и циклостойкость. Ёмкость — это та, которая «миллиампер-часы» (не путать с ёмкостью конденсаторов), и для потребителя от неё зависит, часто ли надо аккумулятор заряжать. Циклостойкость — это когда ёмкость упадёт так, что станет нужно заряжать ещё вдвое чаще. При заряде и разряде аккумулятора на его электродах идут химические реакции с участием лития. При реакциях происходит изменение объёма вещества и, соответственно, разрушение электродов. Поэтому мало найти элемент, который связывается с литием, надо подобрать такой, чтобы изменение объёма было поменьше, или оставить пустое место, чтобы веществу было куда расширяться. Отсюда идеи про пористые конструкции. С литием хорошо взаимодействуют кремний и германий. Но как сделать их оптимально пористыми?
Вот как выглядит в сканирующем электронном микроскопе поверхность после имплантации. Масштаб слева внизу. Справа вверху — распределение по диаметрам нанонитей из германия. Иллюстрация из реферируемой статьи.
Исследователи из Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского и Казанского (Приволжского) федерального университета подвергли германий ионной имплантации — вколотили в него ионы серебра. Энергия ионов 30 кэВ, плотность тока 5 мкА/см2, доза 1,3•1016 ионов/см2. Результат показан на фотографии — пустое место имеется. Авторы высказывают предположение, что эти нити не кристаллические, а аморфные, что должно увеличивать циклостойкость. Действительно, после 1000 циклов электрод сохранил 80% ёмкости (это немного лучше, чем у литий-полимерного аккумулятора).
Кстати: германий — полупроводник, и его сопротивление может ограничивать ток заряда, а хочется побыстрее. Так вот, серебро должно увеличить и проводимость.
Гаврилова Т. П., Хантимеров С. М., Нуждин В. И., Валеев В. Ф., Рогов А. М., Степанов А. Л. Создание анода литий-ионного аккумулятора на основе нанопористого германия, сформированного имплантацией ионами серебра. Письма в ЖТФ, 2022, вып. 8, с. 33.
