На пути к шапке-невидимке
Американские физики впервые в мире сконструировали и изготовили трехмерные структуры, обладающие отрицательным коэффициентом преломления для видимого и инфракрасного света. Все природные материалы, пропускающие свет или электромагнитное излучение других диапазонов, обладают положительным коэффициентом преломления (который также называют индексом рефрации). Если луч света или излучения другой частоты входит в такую среду из воздуха или вакуума под косым углом, он отклоняется в направлении перпендикуляра к поверхности раздела.
Отношение синусов этих углов, которое зависит не только от состава среды, но и от длины волны излучения, называется коэффициентом преломления. Если эта величина положительна, вошедший луч продолжает движение в том же направлении как по вертикали, так и по горизонтали. Если луч выходит из среды в воздух, его угол к этому перпендикуляру, напротив, увеличивается, однако оба направления движения луча опять-таки остается прежними. По этой причине человек, стоящий на берегу пруда, видит плывущую рыбу на меньшей глубине, чем та, на которой она в действительности находится.
При отрицательном коэффициенте преломления ситуация радикально меняется. Входящий в среду луч не просто уменьшает угол между собой и перпендикуляром к поверхности раздела, но и меняет его знак. Это означает, что вертикальная компонента его скорости сохраняет прежнее направление, а вот горизонтальная испытывает зеркальное отражение. То же самое происходит и при выходе луча обратно в воздух.
Рыба, плывущая в жидкости с отрицательным индексом рефракции, казалась бы парящей над ее поверхностью. Поэтому такие материалы в принципе могут создавать совершенно фантастические оптические эффекты – например, обеспечивать невидимость. С их помощью можно также строить оптические микроскопы, позволяющие видеть очень малые объекты, недоступные обычным микроскопам со стеклянными линзами.
Прозрачные среды с отрицательным коэффициентом преломления являются одной из разновидностей так называемых метаматериалов. Этим термином обозначают искусственные конструкции, составленные из множества структурных ячеек, чьи размеры уступают длинам волн проходящего через них электромагнитного излучения. Именно такие структуры позволяют очень сильно манипулировать свойствами этого излучения, в частности, менять знак коэффициента преломления.
По этой причине первые метаматериалы, которые несколько лет назад были созданы в научных лабораториях, демонстрировали свои необычные свойства только для миллиметровых и сантиметровых радиоволн, но не для видимого света. Позднее ученым удалось изготовить и метаматериалы, работающие в оптическом диапазоне. Однако они представляли из себя пленки атомной толщины, не обещающие реальных практических применений.
Теперь две группы исследователей из Калифорнийского университета в Беркли совершили новый прорыв в этом направлении. Они изобрели и изготовили трехмерные среды с негативным индексом рефракции по отношению к электромагнитным волнам инфракрасного и даже оптического диапазона.
Одна из этих сред состоит из тончайших слоев серебра и фторида магния, пронизанных правильно расположенными прямоугольными отверстиями, напоминающими ячейки рыболовной сети. Эксперименты показали, что эта структура обладает отрицательным коэффициентом преломления по отношению к инфракрасному излучению с длиной волны 1500 нанометров.
Вторая среда образована параллельными серебряными нанопроводами, выращенными внутри пористого оксида алюминия. Этот метаматериал столь же аномально преломляет лучи красного света длиной 660 нанометров. Правда, пока что его толщина измеряется всего лишь несколькими микронами, однако это все равно очень серьезный скачок по сравнению с предшествующими достижениями.
Электростанция на фотоэлементах
Калифорнийская корпорация SunPower получила заказ на постройку крупнейшей в США солнечной электростанции на фотоэлектрических панелях. Эти полупроводниковые приборы поглощают свет и непосредственно преобразуют его в электрическую энергию. В настоящее время среди всех американских энергетических установок этого типа первое место занимает система, действующая на авиабазе Эллис в штате Невада. Ее максимальная мощность составляет 14 тысяч киловатт.
Новая солнечная электростанция, которую предполагается соорудить в округе Де-Сото в штате Флорида, сможет генерировать ток мощностью в 25 тысяч киловатт. Ее ввод в действие запланирован на будущий год. Фирма SunPower выпускает самые продвинутые в мире фотоэлектрические генераторы, предназначенные для мощных солнечных электростанций. В мае она объявила о разработке пятидюймовой солнечной панели, преобразующей в электричество рекордно высокую долю энергии падающего светового излучения – 23,4%.
Утилизация наночастиц
Американские ученые научились делать наночастицы, которые могут легко выводиться из организма. Современная медицина возлагает большие надежды на использование металлических наночастиц для диагностики и лечения различных заболеваний. Однако эти частицы в принципе должны задерживаться в организме лишь на какое-то время, а затем естественным образом выводиться наружу.
Наночастицы, циркулирующие в кровяном русле, должны в конечном счете пройти через почки и выйти вместе с мочой. Однако это может случиться лишь в том случае, если их размеры достаточно малы, в противном случае они будут задержаны в почечных канальцах.
Сотрудники Аризонского университета нашли способ изготовлять золотые наночастицы как раз нужных диаметров. На первом этапе они производят полые золотые шарики диаметром чуть больше 60 нанометров, внутри которых заключены крошечные капельки жира. Когда такие шарики попадают в кровь или в лимфу, жир постепенно деградирует, и их стенки теряют устойчивость. Эксперименты показали, что в этих условиях их размеры сокращаются менее чем до 6 нанометров. Такие наночастицы свободно диффундируют через почечную ткань.
Лазерная алхимия
Короткие лазерные импульсы могут создавать внутри графита алмазные зародыши. Хорошо известно, что и обычный графит, из которого делают карандашные грифели, и драгоценный алмаз состоят из чистого углерода. Все многочисленные различия в их внешнем виде и физических свойствах обусловливаются лишь тем обстоятельством, что атомы этих веществ образуют различные кристаллические структуры. Уже давно созданы химические технологии, которые позволяют изготовлять из графита алмазы – правда, только промышленные, а не ювелирные.
Теперь появилась надежда, что то же самое удастся делать с помощью лазера. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов ученых Мичиганского университета. Они облучали тончайшие графитовые пленки очень короткими вспышками инфракрасного лазера и одновременно сканировали их атомную структуру электронным лучом. Оказалось, что в зоне попадания лазерного импульса графитовые атомы временно перестраивались в алмазоподобные структуры.
Правда, эти локальные изменения сохранялись очень недолго, а потом структура графита восстанавливалась. Однако ученые полагают, что этот эффект удастся стабилизировать. Если эти надежды оправдаются, в графитовых пленках можно будет формировать с помощью лазера алмазные включения, которые найдут применения в наноэлектронике.
