В одному з романів Курта Воннегута незграбні дії героїв призводять до того, що вся вода на землі "замерзає". Точніше, вона перетворюється на лід, хоча і складається зі звичайних молекул води (аш-два-о, якщо хто не пам'ятає), але з температурою плавлення набагато вище кімнатної. Голландські фізики виявили ефект, що змушує запідозрити, що фантазія Воннегута, можливо, вела його в правильному напрямку. Тільки пояснити цей ефект вони поки не можуть

У вік глобалізації голландська наука зберігає національні особливості

За допомогою тріболевера можна вимірювати силу, з якою на вістрі інструменту діє кожен окремий атом на поверхні графітового зразка. Ще три роки тому німецький фізик Мартін Дінвібель, що працював у співробітництві з голландцем Йост Хенкеном в Лейденському університеті, в експериментах з тріболевером виявив принципово нове фізичне явище - повне зникнення сили тертя на поверхні графіту. Це явище отримало назву сверхскольженія. Фото з сайту Лейденського інституту фізики

Біс - в деталях!

Те що у науки є "національний вимір", було вперше в явному вигляді проголошено на початку ХХ століття французьким хіміком, захопилися один раз філософією, П'єром Дюем. Дюем, зокрема, писав про широке розумі англійців і вузькому розумі французів, про схильність німецьких учених до побудови теорій, а англійських - до конструювання моделей досліджуваного явища. Матеріалом для роздумів Дюем стали роботи німецьких, англійських і французьких учених - представників провідних наукових держав світу в XVII-XIX століттях. Зауважимо, проте, що в XVII-XVIII століттях до провідних наукових державам можна було зарахувати ще одну країну - Нідерланди. Чим прославили свою країну голландські вчені? Чи припустимо взагалі говорити про "національному вимірі наукового знання" стосовно до маленької Голландії?


Мікроскоп Антоні ван Левенгука являє собою унікальний виріб і за технологією його виготовлення, і за результатами його застосування . Цей експонат зберігається в Медичному музеї Збройних сил США

Залишаючи за дужками титанічну фігуру Християна Гюйгенса, відзначимо, що в активі голландської науки перші зорові труби Захарія Янсона, мікроскопи (і численні мікроскопічні відкриття) Антоні ван Левенгука, знаменитий досвід з вербою Ян Баптіста ван Гельмонта, лейденська банку Пітера ван Мушенбрук, "Біблія природи" Яна Сваммердама. Левенгук досяг досконалості у виготовленні двоопуклих лінзочек діаметром в один міліметр, ван Гельмонт п'ять років вирощував у горщику вербу, щодня ретельно вимірюючи кількість використаної для поливу води. Біолог Ян Сваммердам уславив своє ім'я надзвичайно детальним описом зібраної ним колекції з трьох тисяч комах. Доречно згадати і прагнення голландських математиків до максимально точному визначенню числа пі (у 1596 р. Людольф ван Цейла публікує свій результат, довго залишався найкращим - число пі з 20 десятковими знаками).

За словами історика голландської науки Харальда Кука (Harald Cook), "як у мистецтві, так і в науці Нідерландів з'ясування деталей саме по собі стало надзвичайно значущим, ці деталі не тільки дозволяли передати корисну інформацію, але й виконували функцію настанови ... А анатоми і фізики постійно заявляли, що їх діяльність сприяє усвідомленню моральних цінностей. Сваммердам, наприклад, вважав, що мудрість Бога може бути усвідомлена через ретельне дослідження анатомії воші ".

У повній відповідності з традиціями своєї країни діяв в кінці XIX століття керівник фізичної лабораторії Лейденського університету професор Каммерлінг-Оннес. Висунутий їм девіз "Через виміру - до знань" став широко відомий, і саме прецизійні вимірювання привели Каммерлінг-Оннес до його знаменитому відкриттю рідкого стану у гелію, удостоєному в 1913 р. Нобелівської премії, а потім і до відкриття явища надпровідності.

Однак з тих пір багато чого змінилося. Настали часи глобалізації. Голландські вчені все частіше їдуть працювати за кордон, голландські студенти все частіше отримують там свою освіту. Чи може в таких умовах зберегтися своєрідний національний стиль, якщо нація, про яку йде мова, це не Північна Корея? І все ж специфічне голландське увага до деталей ні-ні та й дасть про себе знати. Один з найсвіжіших прикладів - відкриття "твердої води" фізиками Лейденського університету.

Біс на кінчику голки ...

У романі Курта Воннегута " Колиска для кішки "розповідається про те, як американський фізик Хоннекер відкриває новий стан води - лід-9.

У більшості речовин крім чотирьох звичних агрегатних станів - тверде, рідке, газоподібне і плазма - є й інші фазові стани, кількість яких може виявитися досить велике. Наприклад, вуглець в твердому стані може бути графітом, а може бути алмазом, причому температури плавлення у графіту і алмазу, зрозуміло, різні. Хоннекер виявив, що щось подібне відбувається і з льодом. Звичайний лід, як відомо, плавиться при нулі градусів за Цельсієм, але лід-9 залишається твердим і при кімнатній температурі. Діти Хоннекера використовували відкриття свого батька без належної обережності, що призвело до глобальної катастрофи - все вода на землі затверділого, перетворившись на лід-9.


Самі автори так описують спостерігався ними ефект: (а) при ковзанні голки по сухій поверхні атоми вольфраму на кінчику голки знаходиться в прямому контакті з атомами вуглецю; (б) якщо між голкою і графітом з'являється вода, то вона змочує і те й інше. У голці виникають бічні сили, характерні для твердого тіла; (в) коли амплітуда коливань голки збільшується, збільшується і ділянку змоченою поверхні графіту. У середині краплі голка рухається так, немов крапля рідка, проте на її кордонах знову виникають бічні сили опору. Ілюстрація зі статті Джінеша і Френк в "Phys. Rev. Lett."

Звичайно, все це не більше ніж метафора. Лід-9 існує тільки в художньому уяві Курта Воннегута. Хоча, як знати ... У статті, опублікованій в авторитетному науковому журналі "Physical Review Letters" (Vol. 96, Art. # 166103) професор лабораторії ім. Каммерлінг-Оннес Йост Френкен описує відкрите ним зі своїми співробітниками стан "твердої води" (або "теплого льоду"), що виникає в результаті переходу води з рідкого стану в твердий при кімнатній температурі. Відбувається це перетворення, однак, при дуже специфічних умовах - коли вістря вольфрамової дроту стосується поверхні графіту.

Чому взагалі Лейденського фізики вирішили вивчати властивості води в настільки екзотичних умовах? Фізикам було відомо, що при зіткненні твердих тіл контакт відбувається не по всій поверхні; безпосередньо стикаються лише мікроскопічні опуклості на цих поверхнях. У точках дотику конденсуються водяні пари і утворюються мікроскопічні "капілярні містки". Містки підвищують міцність контакту і вода з мастила стає клеєм. Бурхливий розвиток нанотехнологій (і в першу чергу наномеханіческіх пристроїв) зробило тему "капілярних містків" вельми актуальною, і саме тому було вирішено досліджувати процес в деталях.

Деталі вдалося з'ясувати за допомогою спеціального дуже чуйного сенсорного датчика, тріболевера. Тріболевер реєструє надмалі зміни діючих на нього сил - аж до 20 пН (це сила, з якою притягується до землі вантаж масою 2.10-9г). Це можна зробити, наприклад, реєструючи виникають в датчику деформації за допомогою п'єзорезистивних ефекту - тобто, електровимірювальними методами. Подібні сенсорні датчики - невід'ємний елемент атомно-силової мікроскопії, і. відповідно, будь-якого значного нанотехнологічного дослідження. До датчику приєднали вольфрамову голку, кінець якої пересували уздовж поверхні графіту надвисокої ступеня чистоти. Між кінцем голки і поверхнею графіту утворювалися, як і слід було очікувати, мікроскопічні (правильніше сказати, наноскопіческіе) водяні містки. Несподіваним було те, що містки (при кімнатній температурі!) Вели себе не як рідина, а як тверде тіло. Дивний стан "твердої води" характеризується вкрай невисокою стійкістю: час життя наномостіков не перевищує декількох секунд.

Теоретикам, на відміну від Курта Воннегута, не вдається поки пояснити, як вода може перейти в тверду фазу при кімнатній температурі, і в цій ситуації Лейденського фізики прагнуть витягти максимум можливого зі спостережень і експериментів: вони з'ясовують, зокрема, що відбувається з містками з отверділої води при зміні температури і швидкості переміщення голки. А також - якщо замість вольфраму і графіту використовуються інші матеріали. Ретельне і детальне експериментальне дослідження залишається, як і три століття тому, головним знаряддям голландських фізиків у вивченні Природи.

Детальніше »