Лёд с нанопеском
У льда как у строительного материала для Крайнего Севера много плюсов — например, он там есть везде, и он экологичен. Однако хотелось бы, чтобы он был прочнее. Коренные народы Севера упрочняют лёд, добавляя в него ягель и мох. Имеется обширный современный практический опыт упрочнения льда добавлением песка, гальки и опилок, а в лабораторных условиях добавляли в лёд волокна. Этими способами прочность удаётся повысить, но незначительно.
Сотрудники МГУ и Тамбовского государственного университета им. Г. Р. Державина предприняли попытку уменьшить размер добавляемых частиц, причём с переходом в нанообласть. Они изготавливали искусственный лёд из воды и приблизительно сферических наночастиц SiO2 размером 10—20 нм, содержание которых изменялось от 0,003 до 10% по массе. Добавление наночастиц сделало лёд мелкоструктурным: исходный средний размер кристаллов льда был 500 мкм, а при добавлении 0,03—10% частиц он стал 240—80 мкм. Прочность (выдерживаемое давление при сжатии) полученного композита при содержании 0–0,1–1–5–10% частиц составила соответственно 13–20–27–30–32 МПа, то есть по отношению к льду без добавления частиц прочность увеличилась в 2,5 раза. Поскольку при этом возросла и предельная деформация, то увеличилась на порядок энергоёмкость разрушения (работа, которую надо затратить для разрушения материала), что важно, в частности, при импульсных нагрузках.
По мнению авторов исследования, механизм эффекта таков: наличие наночастиц увеличивает количество центров кристаллизации, поэтому кристаллы становятся мельче. Разрушение льда начинается с микротрещин, которые возникают по границам кристаллов. Однако длина микротрещин ограничена размерами кристаллов, то есть мелкие кристаллы мешают трещинам расти.
В дальнейшем предполагается провести широкое исследование с варьированием вещества, формы, размера и концентрации частиц.
Головин Ю. И., Самодуров А. А., Родаев В. В. и др. Упрочнение поликристаллического льда наночастицами диоксида кремния. Письма в ЖТФ, 2023, вып. 11, с. 15.
Уцелеют ли ферменты на Марсе?
Увидеть, как марсиане заботливо стряхивают песок с солнечных батарей какого-либо из аппаратов земного происхождения, было бы, конечно, интересно. Но пока ничего такого не замечали, и вообще есть сомнения, может ли жизнь выжить в марсианских условиях (могла ли она там зародиться — другой вопрос).
Для начала хорошо бы понять, способны ли сложные органические соединения уцелеть в марсианских условиях. Поэтому сотрудники МГУ, Института космических исследований РАН, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН изучили сохраняемость ферментов в почве при условиях, приближенных к марсианским. Главные космические факторы, повреждающие биомолекулы, — ионизирующая радиация и ультрафиолет. Но ультрафиолет поглощается первыми миллиметрами твёрдого вещества, а на большей глубине действует в основном ионизирующая радиация. В исследовании ионизирующий эффект создали потоком электронов, марсианский грунт заменили образцами земной почвы, а в качестве изучаемых биомолекул выбрали почвенные ферменты каталазу и дегидрогеназу — отчасти потому, что они есть почти во всех живых клетках, отчасти потому, что они с этой стороны мало исследованы.
Облучение потоком электронов с энергией 1 МэВ производилось при давлении 0,01 торр и температуре -130°С, доза составляла 10 и 100 кГр. Каталазная активность при этом не изменилась, дегидрогеназная активность при большей дозе облучения уменьшилась на 80%. В пересчёте к марсианским условиям это соответствует уменьшению активности в 10, 100 и 1000 раз в течение 1,9, 3,8 и 5,7 млн лет соответственно. Более высокая устойчивость каталазы в сравнении с дегидрогеназой, а также сведения об устойчивости уреаз и фосфатаз к облучению в дозах 200—500 кГр позволяют предполагать, что длительность сохранения активности некоторых ферментов может быть ещё выше.
Так что у жизни на Красной планете, если судить по ферментам, могли быть какие-то шансы.
Чепцов В. С., Белова А. А., Воробьёва Е. А. и др. Устойчивость ферментов к воздействию ионизирующей радиации в модельных условиях реголита Марса. Астрономический вестник, 2021, № 5, с. 387.
Отделяя от плазмы
Важнейший элемент электровакуумных приборов — источник электронов (катод). Не изменяя свойств самого проводника, добыть из него электроны можно, сообщив им дополнительную энергию или сделав более тонким потенциальный барьер на выходе. Первый путь — это, например, термоэмиссия (при нагреве) и фотоэмиссия (под действием фотонов). На втором пути нужно создать на поверхности высокую напряжённость электрического поля. Тогда начинают проявляться квантовые свойства электрона: если толщина потенциального барьера становится сравнима с «размазанностью» электрона, он способен покидать проводник благодаря туннельному эффекту без приобретения дополнительной энергии, происходит автоэлектронная эмиссия. Способ достичь высокой напряжённости поля известен — сделать катод в виде набора микроострий (так называемый матричный катод). Решение соблазнительное — не надо греть, не надо облучать. Однако у этого способа есть свои проблемы, одна из них — нагрев острия протекающим током, с испарением материала, превращением его в плазму и возникновением пробоя в приборе. В частности, из-за этого автоэлектроны «тонут» в плазме.
Элементы матрицы карбида кремния после эксперимента: слева — пример расслоения катода после пробоя; справа — пример сохранения структуры. Изображение в растровом электронном микроскопе. Иллюстрация из реферируемой статьи.
Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета сделали автоэлектронный катод из перспективного во многих смыслах материала — карбида кремния, SiC. И захотели изучить его автоэмиссию при напряжении 120—250 кВ и длительности импульса 30—100 нс. Но как отделить автоэлектроны от плазмы? На пути того, что летело с катода, поставили титановую фольгу толщиной 50 мкм. Часть электронов прошла, и их удалось исследовать, а плазма осталась по ту сторону фольги.
Морозов В. А., Егоров Н. В., Трофимов В. В. и др. Характеристики матричного катода из карбида кремния в предпробойных и пробойных условиях. ЖТФ, 2023, вып. 4, c. 568.
