Рост однородных кристаллов твердых растворов соединений А2В6 и А3В5 считается одним из перспективных направлений космического материаловедения. Этот метод уже использовался при выращивании кристаллов в космосе.
Однако и здесь в некоторых случаях наблюдалась большая неоднородность свойств выращенных кристаллов. В настоящее время за рубежом исследования в этом направлении продолжаются. В частности, в Японии выполняется обширная программа теоретических исследований и наземных экспериментов по подготовке космических экспериментов по получению на японском модуле МКС однородных кристаллов In1-xGaxAs и Cd1-xZnxTe. Аналогичные эксперименты планируются европейскими учеными в рамках программы MAP. Поэтому планируемый эксперимент ВАМПИР соответствует новейшим направлениям в космическом материаловедении.
Получение кристаллов А2В6 методом движущейся зоны растворителя обладает рядом преимуществ по сравнению с методами выращивания из расплава . Снижение температуры процесса определяет уменьшение количества собственных термодинамических дефектов в кристалле и загрязнение раствора материалом ампулы. В случае выращивания тройных твердых растворов метод позволяет получить кристаллы постоянного состава. Другим важным преимуществом метода является эффект очистки растущего кристалла от примесей, который наблюдается при использовании теллура в качестве растворителя. Недостатком метода является малая скорость роста, поэтому проведение таких экспериментов возможно только на долговременных КА.
Существенным отличием эксперимента ВАМПИР от планируемых за рубежом является использование вращающегося магнитного поля. Полученные ранее результаты космических экспериментов показывают необходимость управления процессами массопереноса в расплаве. Одним из возможных методов управления является использование вращающихся магнитных полей. Идея метода заключается в том, что в растворе возбуждается ламинарная стационарная конвекция, полностью определяющая массоперенос к растущей поверхности. В данном эксперименте предполагается изучить возможность управления процессами массопереноса в жидкой фазе с помощью вращающихся магнитных полей в условиях переменных во времени и по амплитуде динамических воздействий. При выбранной надлежащим образом величине магнитной индукции вынужденная конвекция является доминирующей и действием имеющихся на борту ПКК возмущений можно пренебречь. Отсутствие гидростатического давления в условиях микротяжести также должно привести к улучшению качества кристалла вследствие снижения термических напряжений при контакте кристалла со стенками контейнера.
Еще одним важным отличием предлагаемого эксперимента от проводимых ранее являются достаточно большие размерыг выращиваемых кристаллов (диаметр 25 мм). Известно, что увеличение размера кристаллов приводит не только к количественным, но и качественным изменениям в характере процесса роста. Поэтому нельзя отработать технологию получения кристаллов большого диаметра на малыгх образцах. Из изложенного следует, что предлагаемые эксперименты имеют приоритетное научное и практическое значение.
Если Вы сам деятель науки или просто любознательный человек, и Вы частенько смотрите или читаете последние новости в сфере науки или техники. Именно для Вас мы создали такой раздел, где освещаются последние новости мира в сфере новых научных открытий, достижений, а также в сфере техники. Только самые свежие события и только проверенные источники.
В наше прогрессивное время наука двигается быстрыми темпами, так что не всегда можно уследить за ними. Какие-то старые догмы рушатся, какие-то выдвигаются новые. Человечество не стоит на месте и не должно стоять, а двигателем человечества, являются ученые, научные деятели. И в любой момент может произойти открытие, которое способно не просто поразить умы всего населения земного шара, но и в корне поменять нашу жизнь.
Особая роль в науке выделяется медицине, так как человек, к сожалению не бессмертен, хрупок и очень уязвим к всякого рода заболеваниям. Многим известно, что в средние века люди в среднем жили лет 30, а сейчас 60-80 лет. То есть, как минимум вдвое увеличилась продолжительность жизни. На это повлияло, конечно, совокупность факторов, однако большую роль привнесла именно медицина. И, наверняка 60-80 лет для человека не предел средней жизни. Вполне возможно, что когда-нибудь люди перешагнут через отметку в 100 лет. Ученые со всего мира борются за это.
В сфере и других наук постоянно ведутся разработки. Каждый год ученые со всего мира делаю маленькие открытия, потихоньку продвигая человечество вперед и улучшая нашу жизнь. Исследуется не тронутые человеком места, в первую очередь, конечно на нашей родной планете. Однако и в космосе постоянно происходят работы.
Среди техники особенно рвется вперед робототехника. Ведется создание идеального разумного робота. Когда-то давно роботы – были элементом фантастики и не более. Но уже на данный момент некоторые корпорации имеют в штате сотрудников настоящих роботов, которые выполняют различные функции и помогают оптимизировать труд, экономить ресурсы и выполнять за человека опасные виды деятельности.
Ещё хочется особое внимание уделить электронным вычислительным машинам, которые ещё лет 50 назад занимали огромное количество места, были медленными и требовали для своего ухода целую команду сотрудников. А сейчас такая машина, практически, в каждом доме, её уже называют проще и короче – компьютер. Теперь они не только компактны, но и в разы быстрее своих предшественников, а разобраться в нем может уже каждый желающий. С появлением компьютера человечество открыло новую эру, которую многие называют «технологической» или «информационной».
Вспомнив о компьютере, не стоит забывать и о создании интернета. Это дало тоже огромный результат для человечества. Это неиссякаемый источник информации, который теперь доступен практически каждому человеку. Он связывает людей с разных континентов и молниеносно передает информацию, о таком лет 100 назад невозможно было даже мечтать.
В этом разделе, Вы, безусловно, найдете для себя что-то интересное, увлекательное и познавательное. Возможно, даже когда-нибудь Вы сможете одним из первых узнать об открытии, которое не просто изменит мир, а перевернет Ваше сознание.
Японские ученые сумели преодолеть барьер, связанный с особой технологией выращивания гелиевых кристаллов. Результаты исследований опубликовал журнал Немецкого общества физиков. Опыты, проходившие в условиях нулевой гравитации, смогут помочь ученым понять фундаментальные законы создания гелиевых кристаллов и рассмотреть некоторые новые явления, которые при действии гравитации могут быть скрыты от взора.
Первоначально для выращивания кристаллов гелия применялась особая среда со сверхнизкой температурой (порядка -279 град.) и сверхвысоким давлением. Постепенно кристаллы «обрызгивались» таким же гелием, но элемент находился в сверхтекучем состоянии. Отметим, что сверхтекучестью называется особое свойство, при котором вещество обладает всеми признаками жидкости, но при этом имеет нулевую вязкость. Для сверхтекучих жидкостей присуще одно полезное свойство – такие материалы способны проходить через мелкие зазоры между другими объектами без какого-либо трения.
В обычных условиях для формирования кристаллов могут понадобиться тысячи лет. Однако в наши дни в средах со сверхнизкими температурами гелиевые кристаллы можно вырастить всего за 1 секунду. Однако в этом случае существует одна проблема – при действии гравитации кристаллы значительно деформируются. По словам профессора Рюдзи Номура, одного из авторов эксперимента, с помощью сверхтекучего вещества можно довольно быстро получить полноценные кристаллы – для этого достаточно обеспечить условия невесомости.
В своих исследованиях японские физики отказались от идеи применения дорогостоящих космических аппаратов: вместо этого был задействован сверхзвуковой самолет. Известно, что при особых параболических траекториях полета даже на борту реактивного самолета можно создать условия нулевой гравитации, которая продлится около 20 секунд.
Для реализации эксперимента на борту самолета был расположен лабораторный холодильник, в нижней камере которого под высоким давлением размещались большие гелиевые кристаллы. Далее кристаллы подвергались дроблению с помощью акустической волны, после чего более мелкие кристаллы «обрызгивались» сверхтекучим гелием. В результате крупные кристаллы гелия росли до размера примерно 10 мм, а мелкие кристаллы плавились. Весь цикл экспериментов занял около 20 часов.
Рост кристаллов происходил из-за имевшего место так называемого явления Оствальдовского созревания. Подобное явление можно наблюдать при производстве мороженого, которое постепенно становится твердым и хрустящим из-за роста более крупных кристаллов за счет повреждения мелких. Сам процесс Оствальдовского созревания довольно медленный, и ранее такой быстрый рост крупных кристаллов не наблюдался.
Успешно совершившим свою исследовательскую миссию весной 2013 года, настала очередь "Фотона". Внешне космические аппараты - братья-близнецы. Но по научным задачам различаются. "Фотон-М" под номером 4 предназначен для проведения на орбите экспериментов в сфере космических технологий по производству полупроводников в условиях микрогравитации, биотехнологий для получения новых знаний по физике невесомости. "Фотон" отправится на орбиту через неделю.
В повседневной жизни мы даже не задумываемся, что соль, сахар, металлы, драгоценные камни — все это кристаллы. Сегодня без них не обходится ни один электронный прибор.
"Первая космическая установка по выращиванию кристаллов. В 1976 году на станции "Салют-5" на ней выращивали алюмокалиевые кристаллы. Никаких особых условий для их выращивания не требовалось, ни специальных температур, ни давления, ученым необходимо было посмотреть, как влияет отсутствие гравитации на кристаллическую решетку. И, кажется, с тех времен здесь еще что-то осталось", — рассматривает содержимой космической установки по выращиванию кристаллов Ксения Зима.
Исследования по выращиванию кристаллов на орбите показали, лучше всего там растут белки.
" , одна из задач - получить кристалл очень чистый, получить однородный кристалл. Для белков подавление конвекции - это благоприятный фактор. В космосе подавляется движение жидкости, поэтому там они лучше растут", — поясняет заместитель директора Института кристаллографии РАН Алексей Волошин.
На Байконуре завершилась установка научного оборудования в космический аппарат "Фотон-М". Старт — в ближайшее время. На борту спутника — приборы для десятков экспериментов по кристаллографии, материаловедению, биологии, микробиологии. И это лишь часть направлений. Словом, "Фотон" - кластер научных идей.
"Уникальность в том, что предыдущие "Фотоны" у нас больше чем на 20 суток не летали. Этот полет планируется на 60 суток. Это первое. Второе, на этом космическом аппарате имеется двигательная установка, мы можем поднимать аппарат на более высокую орбиту. Мы будем летать на высоте 500 километров", — отметил начальник отдела ракетно-космического центра "ЦСКБ-Прогресс" Валерий Абрашкин.
Чем выше, тем лучше, утверждают ученые. 500 километров - ближний космос: уже не так сильно влияет атмосфера, очень слабая гравитация, а значит, и чистота экспериментов будет высокой.
"На этом космическом аппарате у нас летит 22 типа аппаратуры. На каждой аппаратуре — несколько экспериментов. То есть мы постарались скомпоновать космический аппарат таким образом, чтобы ученые различных направлений исследований могли поставить свои эксперименты и получить нужную научную информацию", — продолжил Валерий Абрашкин.
Внешне "Фотон" похож на научный биологический аппарат "Бион". Братья-близнецы. Круглая капсула, которая и наполняется научными приборами. При возвращении из космоса она не сгорает в атмосфере, все эксперименты возвращаются на Землю.
В отличие от "Фотона" на биоспутниках есть система жизнеобеспечения. Поддерживается определенная температура, давление, уровень кислорода, так как основные пассажиры "Биона" - живые организмы. "Фотоны" пассажиров не возят, на них ученые проводят технологические эксперименты.
"Полезная нагрузка — одно из устройств кристаллизации белков, которые полетят на "Фотоне". Устройство основано на принципе встречной диффузии жидкости", — говорит Алексей Волошин.
Именно на орбите удается получить более точные белковые структуры. Для фармацевтов это большая помощь в создании новых эффективных лекарств.
"Если это белок какой-то вредной бактерии, то подбирают вещество, которое должно подавить структуру этого белка. Если белок выполняет полезную функцию, подбирают вещество, которое должно усилить эту функцию", — рассказывает о сути экспериментов замдиректора Института кристаллографии РАН Алексей Волошин.
В другой лаборатории работают настоящие стоматологи. Пломбируют лунки базальтов, в которых находятся микроорганизмы. Пластины с микробами прикрепят на внешнюю сторону корабля "Фотон".
Бактериям предстоит выдержать космическую радиацию, а при возвращении - высокие температуры. Если не погибнут - у сторонников теории панспермии — что жизнь на Земле посеяли метеориты - появится веский аргумент.
"После посадки разогретый базальт вынимается и дальше смотрят — выжили ли микроорганизмы. Так проверяется теория панспермии", — рассказывает замдиректора Института медико-биологических проблем РАН Владимир Сычев.
Микробов подбирали особых, которые выдержат гигантские температуры в сотни градусов. Правда, у иностранных коллег подобный эксперимент не получился - бактерии погибли. Однако отрицательный результат только вдохновил наших микробиологов.
"Мы, вдохновленные опытом европейских коллег, решили расширить спектр микроорганизмов. Вместе с Институтом микробиологии РАМН создали коллекцию тех культур и ассоциаций, которые именно могли быть внесены на Землю в составе метеоритов", — рассказал заведующий лабораторией Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Ильин.
Впервые на этом "Фотоне" будет нарушено главное правило: животных не возить. На космическом аппарате в своей специально оборудованной каюте.
"Этот вид обитает на острове Маврикий, основные причины, по которым был выбран этот вид, небольшие размеры, а самая главная причина, что этот вид может обходиться без живого корма, что позволит им в течение 2 месяцев прекрасно существовать", — подчеркивает ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН Рустам Бердиев.
Главная особенность этих животных, которая и привлекла ученых, гекконы могут цепляться к любой поверхности. Поэтому в невесомости они не летают, а живут своей привычной жизнью и прекрасно себя чувствуют. Ну, если только во время старта их немного подбросит.
"Они фиксируются на поверхности, их много видов, у кого-то на лапках есть присоски специальные или маленькие крючочки, они прилипают к любой поверхности, для них поверхность важнее, чем гравитация. Они прилипают к поверхности стенок и не испытывают стресса флотации. А раз так, мы впервые в истории смогли избавиться от стресса", — подчеркнул заведующий лабораторией НИИ морфологии человека Сергей Соловьев.
Многочисленные эксперименты на гекконах подсказали ученым, как бороться с негативным влиянием невесомости на людей. От долгого пребывания на орбите у космонавтов вымывается кальций из организма. У гекконов такого не наблюдалось.
"Оказалось, что классическая модель - это деминерализация скелета, оказалось, гекконы, которые могут крепиться к поверхности. Это избавляет их кости от деминерализации. Гекконы показали путь, по которому надо развиваться дальше, чтобы снижать деминерализацию скелета космонавтов", — отмечает Сергей Соловьев.
Отправлять в космос аппараты только ради науки начали 40 лет назад. С тех пор были запущены десятки спутников. На орбите бывали обезьяны, мыши, рыбки. И каждый такой полет - еще один шаг к заветной мечте человечества — межпланетным перелетам.
Выращивание полупроводниковых кристаллов в космосе
Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.
Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина, в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.
Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Используя этот подход были перекристаллиизованы полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут. Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ (Физика твёрдого тела, 2012, том 54, выпуск 7).
