Хаос и геомагнитная инверсия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

3 НАУКА В КАРТИНКАХ

Хаос

и геомагнитная инверсия

Магнитное поле Земли меняло полярность несколько сот раз за последние 160 млн лет. Перемена полярностей происходит нерегулярно и хаотично, а продолжительность этой перемены относительно коротка (обычно несколько тысяч лет) по сравнению с периодом постоянной полярности между изменениями.

На картинке показана простая детерминистическая модель, иллюстрирующая геомагнитную инверсию. Модель основана на нелинейном взаимодействии двух магнитных мод (дипольной и квадрупольной) и одной компоненты скорости потока внутри ядра Земли. Показаны типичные траектории в трехмерном фазовом пространстве. Соответствующий странный аттрактор воспроизводит нерегулярные изменения полюсов между двумя симметричными состояниями.

В то время как поведение в данной полярности строго хаотично и кажется случайным, путь, по которому следуют траектории во время изменения направления магнитного поля, всегда один и тот же: во время изменения магнитное поле меняет форму (от дипольной к квадрупольной структуре), а не просто исчезает.

К. Гиссинджер (Отделение астрофизических наук, Лаборатория физики плазмы, Принстонский университет, США) www.princeton.edu/artofsdence

119

Детерминистическая модель изменений магнитного поля Земли

© Ch. Gissinger, 2013

^ НАУКА В КАРТИНКАХ

£«*** ***** •<*»* £•«**

лгй^ляй

'J • ь ■ -i |_

*А*<>Г

*-*>*№■«

******

^ L .. I* $ ..

. о в ••.vtp

»V|M*i*lit*<1 v• - .-.i',, .

. - ,.’

H'J-f wf A**#* #.t** t4*fc Л* ‘--•ЛЯ «AyMAvMlV'V1 F.‘.

*л*+ » **№>£AV "~

■f **- 3K^*»*** V'

v;?rt^\VA*AV,

^4t4*4»4t

UiieSiti *a*|l & t| |ttiT j • 9 »«* 4 ■ *«tiwAi t

»Й!Й!ЙЙЙ!?

■?j;t /.гy./rV■'' /л***лу "*1***/Swvy--*4!?w'л'Л1»^*’?!

■ir»^ 4»(.at;. ^ .«4|М1***С »1,*ИТ**,f W*V'AV W* ЧЧЙ*Л^ ’ r" J *(*»**.(! (ЛМ*(* t

v г . ч - г..,[ н p- ■. , ti;i iftAll*, - •ЗЙ4** »•- ;4t*j

■■ 1 “■*АЙ**Л ■? 'Г i ir^-4, i\t Л t *» a l^v* M***l > ■- ■

■ ■- i'(j!(v:v;.Vj« ini* Ч-тк, -

'-• ': a It j *1 я_с .4 V.-I

: - iie?» яИлЦit.

^ — Г • ч Ч- * з- _ -в. ^

о •>»*«**»* ••*•**

■ ' т •им«|| и

< ■ м» «Ум* •< «V*,

- ■■ ■ ..-71

Ш‘ ;л4е*а***а+<“>-~-.

■ . * i. 1 * й {J Л . * * f .■■-■-..7-

120

2 м

0,5 м

Эю - результат моделирования изображения бабочки перламутровки Кибела (Speyeria cybele), каким его видит фасеточный глаз при приближении к объекту в диапазоне расстояний от 2 м до 1,5 см. Изображение для расстояния в 1,5 см смоделировано для глаза из 6,3 тыс. фасеток, что примерно соответствует максимальной разрешающей способности глаза перламутровки Кибела.

Внизу справа - обычная фотография бабочки

© H. S. Horn, 2013

С точки зрения бабочки

Бабочки, или чешуекрылые, - древний и отличающийся огромным видовым разнообразием отряд насекомых с так называемым полным превращением. Жизненный цикл бабочек состоит из нескольких фаз, включая стадии гусеницы и куколки. Продолжительность жизни взрослых особей относительно невелика и может составлять всего лишь несколько часов. Их предназначение - встретить потенциального партнера, чтобы оставить потомство, и в этих поисках бабочки-самцы демонстрируют невероятно широкий набор поведенческих реакций: они могут идти по следу, защищать свою территорию от конкурентов и даже объединяться в группы для достижения цели. Как бабочке удается реализовывать столь сложное, на первый взгляд, поведение, используя весьма простые сенсорные и интегративные возможности, до сих пор остается неясным.

Фасеточные глаза бабочек составлены из отдельных шестиугольных линз (фасеток или омматидиев*) со световодами и сенсорными датчиками, которые направлены в разные стороны и обеспечивают широкий диапазон. Каждый омматидий имеет постоянный угол обзора, составляющий примерно 1,5°, и собирает информацию о разнообразных световых сигналах по своему полю зрения, преобразуя ее в некое изображение, близкое к точечному. Информация со всех фасеток передается в мозговые центры, где и суммируется.

Хорошей аналогией такого зрительного восприятия служит грубо оцифрованный, видеоролик, снятый с помощью мутноватого объектива типа «рыбий глаз» -своего рода панорамное кино из цветного «кружева». Чтобы смоделировать такой взгляд на мир, нужно просто посмотреть на шестиугольный массив плотно сгруппированных крошечных отверстий через короткофокусную линзу. Это, конечно, довольно упрощенная модель, однако она позволяет убрать многие мелкие детали, не воспринимаемые бабочками из-за недостаточной разрешающей способности их глаз, и, напротив, выделить наиболее главные, которые для человека могут быть погребены в хаосе подробностей.

* Подробнее о строении фасеточного глаза читайте в этом номере в статье д. б. н. В. В. Глупова, с. 96

Выяснилось, что бабочки гораздо лучше нас воспринимают расположение и геометрию элементов рельефа и предметов в целом, а также мозаику из света, тени и различных цветов. Такое «зрение» не позволяет рассмотреть детали предметов на большом расстоянии, но предметы, расположенные на разном удалении, воспринимаются совершенно по-разному при их перемещении или повороте глаза.

Так с помощью простого оптического устройства удалось найти ключ к разгадке большой тайны. Оказывается, бабочки могут четко определять границы своих местообитаний, а также «окна», через которые они могут попасть на другие подходящие участки. Территориальные виды способны обнаруживать непрошеных гостей по их движениям, даже если изображение чужака попало в поле зрения единственного омматидия. Групповым видам такой тип зрения позволяет точно определить местонахождение пищи или возможного партнера.

Очень интересно применить такое модельное устройство для поиска другой бабочки и проследить, как меняется ее изображение по мере приближения. В качестве модели возьмем перламутровку Кибела (Speyeria cybele, Nymphalidae), отличающуюся яркой оранжево-черной раскраской крыльев.

На расстоянии около 2 м бабочка воспринимается как едва видимый предмет, практически на грани видимости. Это расстояние близко к максимальному, на котором летящая перламутровка изменит курс, устремившись по направлению к другой особи.

При приближении к бабочке на расстояние в диапазоне 25—6 см мы встречаемся с удивительным явлением: если «глаз» или бабочка будет передвигаться с небольшой скоростью, то значительная часть поля зрения «вспыхивает» то оранжевым, то черным цветом. И именно на таких расстояниях у этого вида потенциальные партнеры начинают брачные ухаживания. В этом случае фасеточный глаза работает как специальный фильтр для восприятия упорядоченного узора пятен на крыльях бабочки, давая в результате высокоселективный видоспецифичный сигнал.

Г. С. Хорн (почетный профессор экологии и эволюционной биологии Принстонского университета, США)

121

НАУКА В КАРТИНКАХ

122

Восьмая казнь египетская

Подул сильный ветер, а за ветром налетели на Египет полчища саранчи, сожрав всю зелень вплоть до последней травинки на земле египетской.

Исход 10, 13—15

Кто не слышал о перелетной саранче? Согласно ветхозаветной легенде, нашествие этих прожорливых насекомых стало одним из наказаний, обрушившихся на египетского фараона за отказ освободить израильский народ. Действительно, взрослые особи и личинки этих растительноядных насекомых могут наносить серьезный вред сельскохозяйственным растениям: они грубо объедают листья и стебли злаков, что нередко приводит к гибели растений.

Одна особь саранчи способна съесть от 200 до 500 г зеленых растений. Интересно, что такая большая прожорливость этих насекомых связана главным образом не с утолением голода, а с необходимостью поддержания водного баланса.

За год у саранчи развивается одно поколение. Самка откладывает яйца в верхние слои почвы, раздвигая ее короткими пильчатыми створками яйцеклада. Одновременно с откладкой яиц она выделяет пенистую, быстро твердеющую на воздухе жидкость, которая цементирует частички почвы. В результате образуется капсула («кубышка» с крышечкой из тех же выделений), внутри которой находятся яйца. «Кубышки» зимуют в почве на глубине 5—6 см, а весной из них выводятся личинки, которые начинают активно питаться свежей зеленью, через 30—50 дней превращаясь во взрослых крылатых насекомых.

По образу жизни и поведению выделяют две формы перелетной саранчи: одиночную и стадную, которые хорошо различаются как по внешнему виду, так и по поведению. Стадная форма образует плотные скопления личинок (кулиги) и взрослых особей (стаи), которые живут, питаются и передвигаются совместно. Особи именно этой формы наиболее активны и прожорливы: на своем пути они поедают буквально все «живое».

Серьезный вред перелетная саранча наносит главным образом в периоды вспышек ее численности. К основным причинам таких вспышек, наряду с погодными условиями и естественной популяционной цикличностью, относят изменение природопользования в степных регионах. В частности, благоприятные условия для массового размножения этих насекомых формируются вследствие появления больших площадей залежей (брошенной пашни).

К. б. н. Т. А. Новгородова (Институт систематики и экологии животных

СО РАН, Новосибирск)

На фото - взрослая особь одиночной формы саранчи перелетной, или азиатской (Locusta migratoria L.), занятая откладкой яиц.

Новосибирская обл., Карасукский р-н, окрестности с. Троицкое. Фото автора

© Т. А. Новгородова, 2013

123

3 НАУКА В КАРТИНКАХ

С помощью лазерного облучения глобул технического углерода можно получить углеродные наночастицы с розоподобной структурой. Просвечивающая электронная микроскопия

сердце нанорозы

Современные нанотехнологии позволяют создавать материалы, принципиально отличающиеся по своим электрическим, оптическим или механическим характеристикам от аналогичных продуктов, произведенных по традиционным технологиям. Одна из основных задач в области нанотехнологий - создание и развитие методов формирования наночастиц с заданной структурой, формой и размером, свойства которых можно прогнозировать.

Для синтеза углеродных наноматериалов сегодня широко используют метод лазерного облучения исходных углеродсодержащих веществ. Так, первые образцы фуллеренов - молекул, в которых атомы углерода составляют симметричные многогранники, были получены при испарении графита в процессе лазерного облучения более четверти века назад (Kroto H W., et al. 1985).

При лазерном облучении происходят процессы быстрого нагрева первичных частиц до температуры, характерной для парообразования и частичного испарения углеродного материала, а затем следует фаза быстрого охлаждения, сопровождающаяся кристаллизацией углерода в графитоподобные наноструктуры.

У этого метода много достоинств. Во-первых, лазерный луч непосредственно передает энергию в облучаемый материал, что обеспечивает химическую чистоту получаемых продуктов. Во-вторых, эту энергию можно менять в широком диапазоне, что позволяет контролировать тепловое воздействие на облучаемый материал.

Сотрудники Института проблем переработки углеводородов СО РАН (Омск) совместно с физиками Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского исследовали воздействие импульсного наносекундного лазерного облучения на глобулы технического углерода.

Оказалось, что таким способом можно получать сферические углеродные частицы диаметром 100—500 нм, состоящие из рядов параллельных, пространственно протяженных графеновых слоев (графен - углеродный материал с двумерной кристаллической решеткой «толщиной» в 1 атом). Слои представляют собой углеродные оболочки, вложенные одна в другую и разделенные между собой незаполненным пространством: на электронномикроскопических снимках эти частицы похожи на срез бутона розы.

Эксперименты показали, что на упорядоченность структуры графеновых слоев при кристаллицации, от которой зависят физико-химические свойства будущих наночастиц, влияет мощность лазерного облучения.

Синтез и исследование характеристик таких «розоподобных» наночастиц продолжается. Предположительно, их можно будет использовать в качестве составной части материалов, применяемых в топливных элементах и суперконденсаторах нового поколения.

К.х. н. М.В. Тренихин, О.В. Протасова, чл.-кор. РАН. В. А. Лихоло-бов (Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, Омск), к.ф.-м.н. Г.М. Серопян (Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского), д.х. н. Ю.Г. Кряжев, к.х. н. В. А. Дроздов (Омский научный центр СО РАН,

Омск)

125

© М. В. Тренихин, О. В. Протасова, В. А. Лихолобов, Г. М. Серопян, Ю.Г. Кряжев, В. А. Дроздов, 2013

НАУКА В КАРТИНКАХ

126

Носитель для платины

Алкены (олефины), такие как пропилен, являются важнейшим сырьем для современной химической промышленности. Эти углеводороды широко используются при производстве пластмасс, каучуков, моющих средств, компонентов моторных топлив, растворителей и т. д. Сегодня большая часть того же пропилена является побочным продуктом нефтепереработки, однако потребность в подобных соединениях в ближайшее время будет только возрастать, что требует развития технологий их промышленного производства.

Один из промышленных методов производства алкенов - дегидрирование алканов (насыщенных углеводородов линейной или разветвленной структуры) в присутствии катализаторов - широко используется уже на протяжении нескольких десятилетий. Прекрасным катализатором реакции дегидрирования алканов является платина, нанесенная на пористый оксид алюминия. Однако такие катализаторы имеют ряд недостатков; в частности, кислотные центры, расположенные на поверхности носителя, инициируют побочные реакции коксообразования, которые ведут к быстрой дезактивации катализатора.

Для решения этой проблемы в оксид алюминия традиционно вводят специальные модифицирующие добавки - катионы щелочных и щелочноземельных металлов. Сотрудники омского Института проблем переработки углеводородов СО РАН предложили модифицировать кислотно-основные свойства оксида алюминия посредством синтеза на его поверхности слоистого алюмомагниевого гидроксида в геотермальных условиях. Причем алюминий для данной химической реакции берется непосредственно из исходного оксида алюминия.

Алюмомагниевый гидроксид характеризуется выраженными основными свойствами, а также хорошей адсорбционной способностью по отношению к анионным комплексам платины, которые используются при получении катализаторов. В результате «привязка» новой фазы непосредственно к поверхности исходного носителя не только уменьшила его кислотные свойства, но и положительно повлияла на активность нанесенных частиц платины.

Исследование нового платинового катализатора Pt/MgAl0yy-Al2O3 в реакции дегидрирования пропана при 550 °С показало, что по сравнению со стандартным он практически не подвергался дезактивации и увеличивал выход целевого продукта на 10 %.

К. х. н. О. Б. Бельская, чл.-кор. РАН В. А. Лихолобов (Институт проблем переработки углеводородов

СО РАН, Омск)

Алюмомагниевый гидроксид, синтезированный на поверхности оксида алюминия, представляет собой округлые пластины толщиной 10—20 нм и шириной 50—100 нм. Меняя условия синтеза, можно регулировать интенсивность его образования, варьируя таким образом степень модифицирования носителя катализатора.

Электронная микроскопия.

Фото А. Н. Саланова

и Е. А. Супруна (ИК СО РАН,

Новосибирск)

127

© О. Б. Бельская, В. А. Лихолобов, 2013

^ НАУКА В КАРТИНКАХ

«Галактический разум» — полупроводниковая пленка PbSe после плазменной обработки

© ЦКП «ДМНС» ЯрГУ, 2013

Галерея наноарта

иентр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика микро- и наноструктур» - интегрированное научное подразделение Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова и Ярославского филиала Физико-технологического института РАН (nano.yar.ru), располагающее широким спектром высокоточного аналитического и диагностического оборудования. Особое место занимают микроскопы - туннельные, растровые, просвечивающие, среди которых нужно отметить многофункциональный растровый электронный микроскоп «Supra 40» (c разрешением 1 нм и системой микроанализа), на котором можно исследовать множество разнообразных нанообъектов, от биологических структур до новых материалов химической промышленности.

«Нано-Ниагара» - кварц при травлении на загрязненной поверхности

129

3 НАУКА В КАРТИНКАХ

130

«Подснежники» - диоксид кремния (кварц) при анизотропном травлении во фторсодержащей плазме

Помимо проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области микро- и наноэлектроники, а также диагностики микро- и наноструктур электроники, наноматериалов и биоорганических объектов, центр оказывает ряд образовательных услуг, в том числе материально-техническую поддержку основной образовательной программы ЯрГУ «Электроника и наноэлектроника».

В университете считают, что развитие творческих способностей студентов - залог их будущей успешной научной деятельности, поэтому в центре горячо поддерживают студенческое творчество в сравнительно новой области изобразительного искусства, именуемой «наноартом». Речь идет об изображениях объектов, полученных с помощью электронных и атомно-силовых микроскопов и немного «приукрашенных» с помощью компьютерных технологий.

Так, за последний год в центре на аналитическом электронном микроскопе «Supra 40» было исследовано более 2 тыс. образцов различных материалов и структур. Электронные изображения некоторых из них вошли в «Nanoart Gallery» университета. Многие из этих образцов были получены в результате анизотропного плазмохимического травления.

Процесс плазмохимического травления сегодня широко применяют в микро- и нанотехнологиях. При травлении кремния - основного материала микроэлектроники - для достижения высокой скорости процесса

«Водная феерия» - кремний после нанотравления через титановую маску

и вертикальности стенок канавок разработаны двухстадийные технологии, при которых быстрое травление во фторсодержащей плазме чередуется с пассивацией (покрытием) боковых стенок канавок полимерной пленкой, осаждаемой из фторуглеродной плазмы.

Развитие методов диагностики параметров плазмы и использование современных методов анализа получаемой поверхности (ренгеноэлектронной спектроскопии, электронной микроскопии и спектроскопии вторичных ионов) позволили существенно продвинуться в понимании механизмов травления материалов. Так, скорость травления в плазме для разных материалов определяется потоком заряженных частиц, бомбардирующих их поверхность. Травление диоксида кремния ведут содержащимися в плазме атомами фтора и фторсодержащими радикалами. Моноксид кремния и кристаллический кварц следует, преимущественно, травить путем ионной бомбардировки, при больших потоках и энергиях падающих ионов.

М. н. с. О.Ю. Златоустова, к. ф-м. н. В.В. Наумов, к. ф-м. н. А.Б. Чурилов, д. ф-м. н. А. С. Рудый (ЦКП научным оборудованием «Диагностика микро- и наноструктур», Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова, Ярославский филиал ФТИАНРАН)

131