Большинство молодых звёзд раз в несколько десятков тысяч лет вспыхивает, при этом рост светимости достигает 1—2 порядков величины и длится десятилетия. В жизни звезды — это короткий эпизод, поэтому число звёзд в стадии вспышки (звёзд типа FU Ориона, или фуоров) не превышает двух десятков. Молодые звёзды окружены протопланетным диском из пылинок. У пылинок есть ледяная оболочка, в которой идут химические процессы. При вспышке оболочка испаряется, поэтому изменяется химический состав протопланетного диска, там начинают идти разнообразные химические реакции. Содержание некоторых веществ в диске, при удачном его расположении, можно наблюдать по поглощению излучения звезды. В частности, вспышка позволяет увидеть органику — метанол, ацетон, ацетонитрил, ацетальдегид, метилформиат.
Моделируя такие процессы, оболочки пылинок обычно считают однородными по толщине и имеющими адсорбированный на поверхности слой, — это двухфазная модель, и она позволяет объяснить часть наблюдаемых данных. Сотрудники Института астрономии РАН (Москва) построили более подробную модель ситуации. В их модели протопланетный диск состоит из четырёх областей, отслеживается поведение 652 соединений, из которых 197 могут адсорбироваться на поверхности, а 455 могут испаряться и попадать в газовую фазу. Причём в трёхфазной модели общее количество отслеживаемых соединений удваивается, потому что объём оболочки разбивается на две области, концентрации в которых оказываются различными. Авторы подробно рассматривают отличия между моделями, корреляцию с данными наблюдений и возникающие новые возможности для исследования процессов в протопланетном облаке.
Кстати. Из такого протопланетного диска когда-то образовалась Земля, а позже — журнал «Наука и жизнь» и его читатели.
Борщева Е. В., Вибе Д. З. Вспышки светимости в протопланетных дисках: трёхфазная астрохимическая модель. Астрономический журнал, 2022, № 5, с. 389.
Терморасщеплённый, теплоизолирующий
Если взять некое вещество и начать делать из него нечто всё более пористое и ажурное, состоящее из самого вещества и пустот, то свойства того, что получается, будут изменяться. Например, плотность, проводимость, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость и прочность будут уменьшаться. Ход процесса будет зависеть от того, как именно мы станем делать это «ажурное», например, плотность зависит только от доли пустот, а теплопроводность и прочность — от конкретной конструкции. И тут у физика и материаловеда возникает принципиальная развилка. Можно сконструировать на бумаге оптимальную конструкцию и попытаться её сделать, а можно пробовать разные технологические приёмы и среди получающегося искать хорошие материалы.
Специалисты из Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (г. Махачкала) и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) пропитали графитовый порошок кислотой и резко нагрели его. Кислота, проникшая между слоями графита, испарилась и разодрала его на маленькие (до 1 мм) и тонкие (20—40 нм) листочки. Получился «терморасширенный графит» — отличный теплоизолятор, термостойкий на воздухе до 500°С и в вакууме до 3000°С. Размер листочков показался авторам слишком большим, и они обработали суспензию ультразвуком, который расщеплял и дробил листочки, они делались в среднем в десять раз меньше и тоньше. Ну, естественно, мойка, сушка, прессование — и вот у нас теплоизолятор, имеющий теплопроводность порядка 1 Вт/м•К.
Кажется очевидным, что материал, сконструированный и оптимизированный на бумаге, будет эффективнее. Но его ещё надо суметь сделать, причём придумать экономически эффективную технологию. А производство терморасширенного графита уже освоено.
Каллаев С. Н., Бакмаев А. Г., Бабаев А. А., Билалов А. Р., Омаров З. М., Теруков Е. И. Теплофизические свойства терморасширенного графита. Теплофизика высоких температур, 2022, № 1, с. 19.
Микронные лазеры
Когда заходит речь о лазерах, сразу вспоминают либо технологические, либо медицинские применения, связанные с испарением тех или иных материалов. Однако в медицине, биологии и информационной технике нужны весьма миниатюрные (размер порядка микрон) маломощные лазеры. Важных параметров в этом случае два: какую энергию надо ввести в систему для начала генерации лазерного излучения и что будет излучаться. Если нужен ближний ультрафиолет, то перспективный материал для длин волн 0,38—0,41 мкм — оксид цинка (ZnO). Для него существует технология (пиролитический карботермический синтез), при которой растут столбчатые кристаллы с плоскими торцами (на фото справа). Эти кристаллы — готовые лазеры, торцы можно использовать как зеркала. Возможен и другой тип колебаний, когда волна обегает цилиндр по кругу (так называемая мода шепчущей галереи), отражаясь от боковой поверхности за счёт полного внутреннего отражения. Но кристаллы растут на подложке, и нижнее «зеркало» оказывается испорченным контактом с подложкой, да и при отражении от боковой поверхности контакт с подложкой тоже ухудшает ситуацию. Можно ослабить этот эффект, подбирая подложку, или уменьшить площадь контакта, вырастив цилиндрик, стоящий на лапках. Вы не поверите, но и такое возможно, хотя оба пути сложны.
Справа — кристаллы ZnO, масштабная линейка — 50 мкм. Слева — спектр излучения, по горизонтали — длина волны, нм, по вертикали — относительная интенсивность, 14—20—53—97 — мощность накачки в кВт/см2, узкие линии — лазерная генерация. Адаптировано из реферируемой статьи.
Исследователи из Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН оптимизировали технологию выращивания кристаллов и получили кристаллы диаметром 5—20 мкм и длиной до 25 мкм. На рисунке слева видно, что лазерная узкополосная генерация возникает при плотности мощности 14—20 кВт/см2, а форма линии говорит о том, что это генерация на моде шепчущей галереи.
Тарасов А. П., Лавриков А. С., Задорожная Л. А., Каневский В. М. Низкопороговая лазерная генерация на модах шепчущей галереи в микростержнях ZnO большого диаметра. Письма в ЖЭТФ, 2022, вып. 9, с. 554.
