Тёмной материи во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного (барионного) вещества, однако из чего эта материя состоит, мы пока не знаем.

Увидеть тёмное

Тёмной материи во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного (барионного) вещества, однако из чего эта материя состоит, мы пока не знаем. Естественно предположить, что из элементарных частиц нового типа, взаимодействующих с гравитационным полем, — благодаря чему тёмную материю и обнаружили. Однако попытки зарегистрировать эти частицы как-то иначе пока не привели к успеху. В работающих сейчас детекторах ищется взаимодействие частиц тёмной материи с единичными ядрами или электронами в атомах.

Исследователи из Йельского университета и Берклиевской национальной лаборатории (США) показали расчётом, что проблему может помочь решить экзотическая конструкция — массив диэлектрических сфер (например, из оксида кремния) нанометрового масштаба, левитирующих в оптическом поле. Можно сказать, что это песок, настолько мелкий и освещённый снизу таким мощным светом, что не падает. При взаимодействии частиц тёмной материи с частицами этого нанопеска им будет передаваться импульс, и песчинки начнут перемещаться. Расчёт, проделанный авторами, показал, что при размерах сфер порядка 0,2 мкм (вдвое меньше длины волны света) этот детектор позволит регистрировать частицы в области масс, недоступной для имеющихся детекторов. А для сфер с размерами порядка 0,015 мкм можно ожидать даже более сильного сигнала, поскольку из-за квантового характера явления частицы тёмной материи будут взаимодействовать не с отдельными составляющими её атомами, а сразу со всеми. Причём по направлению импульса отдачи можно будет определять направление прилёта частицы, и одним из свидетельств работы детектора могут стать суточные изменения направления импульса отдачи, поскольку Земля летит через «фон» таких частиц то одним боком, то другим.

Так что есть ещё надежда увидеть тёмную материю. Если люди способны придумать такое и если смогут это сделать.

Ерошенко Ю. Н. Детектор частиц тёмной материи. Реферат статьи: Afek G., Carney D. and Moore D. C. Coherent Scattering of Low Mass Dark Matter from Optically Trapped Sensors. Phys. Rev. Lett. 128 101301 (2022). УФН, 2022, вып. 4, с. 456.

Низкотемпературный, натрий-серный

Что такое литиевый аккумулятор, знают, наверное, все. То есть знают, что это у них в кармане и что без этого не было бы того, что в кармане. Или было бы, но в разы тяжелее и объёмнее. Высокая энергоёмкость (Дж/кг и Дж/м³) литиевого аккумулятора связана именно с использованием лития. Он дорог и дефицитен, и отсюда попытки найти заменитель. Ближайший конкурент — натрий-серный аккумулятор: анод — жидкий натрий, катод — жидкая сера (смесь с графитом для увеличения проводимости), электролит — твёрдый материал на основе оксида алюминия и оксида натрия (переносит ионы натрия). Мы со школы знаем, что электроды твёрдые, а электролит — жидкий, но бывает и наоборот. Энергоёмкость у этого аккумулятора не хуже, чем у литиевого, и компоненты дешёвые, вот только работать он должен при 300°C. Поэтому понятны попытки сделать аккумулятор на тех же компонентах, но работающий без нагрева. Анод — натрий, катод — сера (опять смесь с графитом), электролит — твёрдый или жидкий, он должен переносить ионы натрия.

Исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова проанализировали весь корпус исследований в этом направлении и выявили основные ухабы на тернистом пути низкотемпературного натрий-серного аккумулятора. Две основные проблемы — рост дендритов натрия, которые замыкают аккумулятор, и плохое поведение соединений натрия и серы, которые диффундируют куда не надо, увеличивая саморазряд. Способ борьбы — барьерные слои, плёнки, которые пресекают эти процессы. Ещё одна проблема — изменение объёма катода при заряде-разряде из-за разной плотности серы и сульфида натрия. Поэтому катод приходится делать пористым, чтобы при увеличении объёма вещества ему было куда расширяться.

Свойства атомов и молекул человек пока изменять не научился, но придумывать новые конструкции, умно использующие известные свойства атомов и молекул, у нас получается.

Новикова С. А., Воропаева Д. Ю., Ярославцев А. Б. Направления развития низкотемпературных натрий-серных аккумуляторов. Неорганические материалы, 2022, № 4, с. 351.

Графен и трение

Без трения остановился бы наземный транспорт, рассыпалась бы изрядная часть мебели и вообще всего, что нас окружает. Потому что вылетели бы отовсюду гвозди, болты, винты и упорхнули бы гайки. Однако на противодействие силам трения при движении человечество тратит треть всей используемой энергии, и тут не обойтись без смазки. Графит используется как твёрдая смазка давно и успешно, а при трении он расщепляется на тонкие листики, в том числе — на кусочки графена. Так что интерес к теме «графен и трение» вполне понятен.

Прямоугольный лист графена 2,02 x 1,88 нм, h-BN. Иллюстрация из реферируемой статьи.

В Федеральном исследовательском центре химической физики им. Н. Н. Семёнова и Российском экономическом университете им. Г. В. Плеханова построили модель взаимодействия графеновых частиц с поверхностью нитрида бора. Моделирование движения графеновых наночастиц показало, что их движение на плоской подложке можно описать как движение частицы в вязкой среде. Сила трения линейно растёт со скоростью — как в жидкости при ламинарном течении. Торможение частицы происходит из-за тепловых изгибных колебаний самой подложки, в результате трение растёт с ростом температуры. Само трение ведёт себя по-разному на краях подложки и в середине, поэтому при постоянной площади прямоугольной подложки возникает зависимость от её длины. Если частицу прижать внешней силой к подложке, то тепловые колебания подложки уменьшаются, но края частицы приближаются к подложке. Поэтому трение, связанное с основной площадью частицы, уменьшается, а связанное с краями — увеличивается. В результате поведение трения при прижатии оказывается разным для частиц разной формы.

Хотите, чтобы ваш ребёнок влюбился в физику? Спросите, откуда берётся шорох при трении. Поводите ладонью по странице журнала и улыбнитесь загадочно.

Савин А. В. Эффективное трение и подвижность графеновых наночастиц (нанолент и нанотрубок) на плоской многослойной подложке h-BN. ЖЭТФ, 2021, вып. 12, с. 885.

№8, 2022