Замораживание без охлаждения

В одном из романов Курта Воннегута неловкие действия героев приводят к тому, что вся вода на земле «замерзает». Точнее, она превращается в лед, хотя и состоящий из обычных молекул воды (аш-два-о, если кто не помнит), но с температурой плавления гораздо выше комнатной. Голландские физики обнаружили эффект, заставляющий заподозрить, что фантазия Воннегута, возможно, вела его в правильном направлении. Только объяснить этот эффект они пока не могут

В век глобализации голландская наука сохраняет национальные особенности

С помощью триболевера можно измерять силу, с которой на острие инструмента действует каждый отдельный атом на поверхности графитового образца. Еще три года назад немецкий физик Мартин Динвибель, работавший в сотрудничестве с голландцем Йостом Хенкеном в Лейденском университете, в экспериментах с триболевером обнаружил принципиально новое физическое явление — полное исчезновение силы трения на поверхности графита.

 

 

Это явление получило название сверхскольжения. Фото с сайта Лейденского института физики

Бес – в деталях!

То что у науки есть «национальное измерение», было впервые в явном виде провозглашено в начале ХХ столетия французским химиком, увлекшимся однажды философией, Пьером Дюэмом. Дюэм, в частности, писал о широком уме англичан и узком уме французов, о склонности немецких ученых к построению теорий, а английских – к конструированию моделей изучаемого явления. Материалом для размышлений Дюэма стали работы немецких, английских и французских ученых – представителей ведущих научных держав мира в XVII–XIX веках. Заметим, однако, что в XVII–XVIII веках к ведущим научным державам можно было причислить еще одну страну – Нидерланды. Чем прославили свою страну голландские ученые? Допустимо ли вообще говорить о «национальном измерении научного знания» применительно к маленькой Голландии?

Микроскоп Антони ван Левенгука представляет собой уникальное изделие и по технологии его изготовления, и по результатам его применения. Этот экспонат хранится в Медицинском музее Вооруженных сил США

Оставляя за скобками титаническую фигуру Христиана Гюйгенса, отметим, что в активе голландской науки первые зрительные трубы Захария Янсона, микроскопы (и многочисленные микроскопические открытия ) Антони ван Левенгука, знаменитый опыт с ивой Ян Баптиста ван Гельмонта, лейденская банка Питера ван Мушенбрука, «Библия природы» Яна Сваммердама. Левенгук достиг совершенства в изготовлении двояковыпуклых линзочек диаметром в один миллиметр, ван Гельмонт пять лет выращивал в горшке иву, каждый день тщательно измеряя количество использованной для полива воды. Биолог Ян Сваммердам прославил свое имя необычайно детальным описанием собранной им коллекции из трех тысяч насекомых. Уместно вспомнить и стремление голландских математиков к максимально точному определению числа пи (в 1596 г. Людольф ван Цейлен публикует свой результат, долго остававшийся самым лучшим – число пи с 20 десятичными знаками).

По словам историка голландской науки Харальда Кука (Harald Cook), «как в искусстве, так и в науке Нидерландов выяснение деталей само по себе стало чрезвычайно значимым, эти детали не только позволяли передать полезную информацию, но и выполняли функцию наставления… А анатомы и физики постоянно заявляли, что их деятельность способствует осознанию моральных ценностей. Сваммердам, к примеру, считал, что мудрость Бога может быть осознана через тщательное исследование анатомии вши».

В полном соответствии с традициями свой страны действовал в конце XIX столетия руководитель физической лаборатории Лейденского университета профессор Каммерлинг-Оннес. Выдвинутый им девиз «Через измерения - к знаниям» стал широко известен, и именно прецизионные измерения привели Каммерлинг-Оннеса к его знаменитому открытию жидкого состояния у гелия, удостоенному в 1913 г. Нобелевской премии, а потом и к открытию явления сверхпроводимости.

Однако с тех пор многое поменялось. Наступили времена глобализации. Голландские ученые все чаще едут работать за границу, голландские студенты все чаще получают там свое образование. Может ли в таких условиях сохраниться своеобразный национальный стиль, если нация, о которой идет речь, это не Северная Корея? И все же специфическое голландское внимание к деталям нет-нет да и даст о себе знать. Один из самых свежих примеров – открытие «твердой воды» физиками Лейденского университета.

Бес на кончике иглы…

В романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки» рассказывается о том, как американский физик Хоннекер открывает новое состояние воды – лед-9. У большинства веществ кроме четырех привычных агрегатных состояний – твердое, жидкое, газообразное и плазма – есть и другие фазовые состояния, количество которых может оказаться весьма велико. Например, углерод в твердом состоянии может быть графитом, а может быть алмазом, причем температуры плавления у графита и алмаза, разумеется, разные. Хоннекер обнаружил, что нечто подобное происходит и со льдом. Обычный лед, как известно, плавится при нуле градусов по Цельсию, но лед-9 остается твердым и при комнатной температуре. Дети Хоннекера использовали открытие своего отца без должной осторожности, что привело к глобальной катастрофе – все вода на земле отвердела, превратившись в лед-9.

Сами авторы так описывают наблюдавшийся ими эффект: (а) при скольжении иглы по сухой поверхности атомы вольфрама на кончике иглы находится в прямом контакте с атомами углерода; (б) если между иглой и графитом появляется вода, то она смачивает и то и другое. В игле возникают боковые силы, характерные для твердого тела; (в) когда амплитуда колебаний иглы увеличивается, увеличивается и участок смоченной поверхности графита. В середине капли игла движется так, словно капля жидкая, однако на ее границах снова возникают боковые силы сопротивления. Иллюстрация из статьи Джинеша и Френкена в «Phys. Rev. Lett.»

Конечно, все это не более чем метафора. Лед-9 существует только в художественном воображении Курта Воннегута. Хотя, как знать… В статье, опубликованной в авторитетном научном журнале «Physical Review Letters» (Vol. 96, Art. # 166103) профессор лаборатории им. Каммерлинг-Оннеса Йост Френкен описывает открытое им со своими сотрудниками состояние «твердой воды» (или «теплого льда»), возникающее в результате перехода воды из жидкого состояния в твердое при комнатной температуре. Происходит это превращение, однако, при весьма специфических условиях – когда острие вольфрамовой проволоки касается поверхности графита.

Почему вообще лейденские физики решили изучать свойства воды в столь экзотических условиях? Физикам было известно, что при соприкосновении твердых тел контакт происходит не по всей поверхности; непосредственно соприкасаются лишь микроскопические выпуклости на этих поверхностях. В точках соприкосновения конденсируются водяные пары и образуются микроскопические «капиллярные мостики». Мостики повышают прочность контакта и вода из смазки становится клеем. Бурное развитие нанотехнологий (и в первую очередь наномеханических устройств) сделало тему «капиллярных мостиков» весьма актуальной, и именно поэтому было решено исследовать процесс в деталях.

Детали удалось выяснить с помощью специального очень чуткого сенсорного датчика, триболевера. Триболевер регистрирует сверхмалые изменения действующих на него сил – вплоть до 20 пН (это сила, с которой притягивается к земле груз массой 2.10^-9 г). Это можно сделать, например, регистрируя возникающие в датчике деформации с помощью пьезорезистивного эффекта – то есть, электроизмерительными методами. Подобные сенсорные датчики – неотъемлемый элемент атомно-силовой микроскопии, и. соответственно, любого значительного нанотехнологического исследования. К датчику присоединили вольфрамовую иглу, конец которой передвигали вдоль поверхности графита сверхвысокой степени чистоты. Между концом иглы и поверхностью графита образовывались, как и следовало ожидать, микроскопические (правильнее сказать, наноскопические) водяные мостики. Неожиданным было то, что мостики (при комнатной температуре!) вели себя не как жидкость, а как твердое тело. Удивительное состояние «твердой воды» характеризуется крайне невысокой устойчивостью: время жизни наномостиков не превышает нескольких секунд.

Теоретикам, в отличие от Курта Воннегута, не удается пока объяснить, как вода может перейти в твердую фазу при комнатной температуре, и в этой ситуации лейденские физики стремятся извлечь максимум возможного из наблюдений и экспериментов: они выясняют, в частности, что происходит с мостиками из отвердевшей воды при изменении температуры и скорости перемещения иглы. А также – если вместо вольфрама и графита используются иные материалы. Тщательное и детальное экспериментальное исследование остается, как и три столетия назад, главным орудием голландских физиков в изучении Природы.