В Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского исследовали образцы лунного грунта  и нашли в них частицы размером менее 100 мкм разного земного происхождения.

Редкая гостья

Первая межзвёздная комета 2I/Borisov интересна тем, что она прилетела от другой звезды и её состав отражает состав окрестностей той другой звезды. Спектроскопические наблюдения, проделанные разными группами исследователей, показали наличие в коме кометы линий многих соединений, в частности радикалов OН (от фотохимического разложения воды), CN (от НCN), NH₂ (от NH₃), лёгких органических соединений, имеющих цепь C–С, молекул СО, СО₂, CS₂ и CН₃ОН. Все соединения — типичные компоненты льдов комет Солнечной системы.

Сотрудники Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского, Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга и Института астрономии оценили температуры сублимации основных льдов, входящих в состав кометных ядер (Н₂О, СН₃ОН, СО₂, NH₃, CH₄, HCN, СО, N₂, Ar, О₂), и сопоставили их с расстояниями, на которых эти температуры в Солнечной системе достигаются. Анализируя имеющиеся данные, авторы пришли к выводу, что состав кометы близок к составу долгопериодических комет Солнечной системы. Отличия могут быть связаны со сложной структурой вещества кометы — одно соединение может находиться в порах матрицы из другого соединения и испаряться не тогда, когда ему следовало бы, а тогда, когда будет испаряться то, которое образует матрицу.

Авторы приводят данные по испарению пылевой компоненты и оценку диаметра ядра кометы (1—2 км). При пролёте мимо Солнца с поверхности кометы испарился слой вещества толщиной 0,2—1,1 м, а также произошло отделение от кометы куска размером 100 м из-за испарения летучих соединений в глубине ядра и роста давления.

Можно предположить, что этому печальному событию поспособствовала высокая пористость, которая уменьшает прочность материала и теплопроводность. Низкая теплопроводность может иметь следствием перепад температур и возникновение термических напряжений.

Дорофеева В. А., Борисов Г. В., Шустов Б. М. Комета 2I/Borisov в сравнении с кометами Солнечной системы. Астрономический вестник, 2023, № 1, с. 71.

Термоэмиссия отомстила

В физике и технике в разных ситуациях используются потоки электронов в вакууме. Во всех случаях нужен эмиттер — источник электронов. В большей части прошлого века для извлечения электронов из проводника (или полупроводника) применялась термоэлектронная эмиссия, то есть нагрев материала. Недостатки этого метода — расход энергии на нагрев и ограничение срока службы из-за испарения, неизбежного при нагреве. Поэтому в последней трети века начались попытки использования автоэлектронной эмиссии — испускания электронов под действием внешнего электрического поля. Для неё не нужен нагрев, но нужна высокая напряжённость электрического поля. То есть надо иметь либо высокие напряжения, либо лезвия или острия в качестве эмиттера.

И тут на сцене появляются углеродные нанотрубки. Они достаточно остры, чтобы при умеренных напряжениях поставлять в вакуум электроны, но при протекании по ним тока выделяется, как ему и положено, тепло. С ростом температуры, опять же, растёт испарение, так что трубка может разрушиться. И не возникнет ли при этом термоэмиссия?

Сотрудники Института нанотехнологий микроэлектроники построили соответствующую модель с учётом разогрева по всей длине, излучения со всей поверхности и охлаждения эмитирующей поверхности (вследствие эффекта Ноттингема) и обнаружили, что при наличии в нанотрубке неоднородностей разогрев концентрируется в этих местах. А термоэмиссия вызывает быстрый рост тока и дополнительного разогрева дефектной области нанотрубки, который приводит к её разрушению.

Эксперимент был проделан на многослойных углеродных трубках (число слоёв 15—25, радиус около 15 нм, длина около 3 мкм), выращенных по обычной технологии и содержащих видимые в электронный микроскоп дефекты (переломы и обрывы графеновых плоскостей). При отборе тока трубка разрушалась за время, согласующееся с теоретическим расчётом.

Термоэмиссия отомстила, и нанотрубки для эмиттеров придётся отбирать бездефектные.

Булярский С. В. и др. Катастрофическое разрушение углеродных нанотрубок при деградации автоэлектронных эмиттеров. ФТТ, 2023, вып. 5, с. 868.

«Руки мыть надо!»

В лунный грунт, исследуемый на Земле, могут попасть загрязнения. В Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского исследовали образцы лунного грунта посредством сканирующих электронных микроскопов с энергодисперсионными рентгеновскими спектрометрами и нашли в них частицы размером менее 100 мкм разного земного происхождения. Самые тривиальные — пыль из комнаты и материал, которым полировали образец (если это делали). Далее — частицы инструмента, которым бурили Луну, то есть карбид вольфрама, кобальт и другие компоненты твёрдых сплавов. Были обнаружены частицы дисульфида молибдена из антифрикционных смазок и частицы инструментальных и конструкционных сталей. Затем — частицы легкоплавких припоев, они могли попасть при нагреве каких-то конструкций, например сит, которыми разделяли фракции лунного грунта. Среди них попадались частицы разного состава, вплоть до состоящих из какого-то одного элемента (свинца, висмута, олова, кадмия). Более оригинальное — пластинка чистой платины, отвалившаяся от покрытия лезвия, которым делили образец. Ещё более оригинальное — шарик из сплава железа, лантана и церия. Оказалось, что при пользовании зажигалками «с колёсиком» (на соседнем столе зажигали спиртовку) такие шарики разлетаются на расстояние более двух метров. И наконец — агрегаты кристаллов сульфидов и хлоридов серебра, выросшие вокруг частиц серебра, попавших в исследуемый образец из применяемого токопроводящего клея (или когда он просто побывал в установке, где использовали такой клей).

Слева — агрегат кристаллов сульфидов и хлоридов серебра вокруг частицы серебряного клея. Справа — частица чистой платины от покрытия бритвенного лезвия. Иллюстрация из реферируемой статьи.

Автоматически определить, какие частицы относятся к лунному грунту, а какие — к загрязнениям, невозможно, поэтому авторы считают, что при анализе, несмотря на современную технику, основным инструментом остаётся здравый смысл.

Мохов А. В. и др. Контаминанты в лунном реголите. Астрономический вестник, 2023, № 1, с. 27.

№11, 2023