14:3613.11.2008г.
Британские ученые создали и подготовили к работе самый мощный в мире супер-микроскоп. Созданный специалистами оксфордской лаборатории ядерной физики ISIS и обошедшийся в 200 млн. фунтов прибор позволит видеть объекты в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Называется прибор источник пульсации нейтронов. Но что же это на самом деле означает? Если вы физик, которого интересует, как ведет себя невидимое никому вещество, то ISIS даст вам возможность за ним пронаблюдать. А если вы инженер, пытающийся превратить в реальность идею автомобиля на водороде, то ISIS - ваша волшебная палочка.
Впервые в мире
Хотите увидеть, как пауки плетут паутину прочнее стали? Или взглянуть в легкие новорожденного в момент его первого вдоха? ISIS осуществит ваши желания - даже если у вас их больше трех. Теперь, когда в действие запущен ISIS-2, на новой машине можно вести одновременно до 40 научных экспериментов.
Неудивительно, что на презентацию прибора, которая пройдет в лаборатории Резерфорда-Эпплтона в научном центре Харвелл, слетятся ученые со всего мира. Их интересы простираются от масштабов Вселенной и самых темных уголков квантовой механики до самых обыденных товаров на полке ближайшего супермаркета.
Бок о бок с теоретиками, пытающимися отыскать "неуловимую" частицу бозон, стоят голландские ученые, исследующие свойства сыра. И те, и другие используют рассеивание нейтронов как инструмент для исследования своих веществ на атомарном уровне - расположение в пространстве относительно друг друга и силы взаимодействия между отдельными атомами.
"На самом деле, речь идет о гигантской фотокамере", - объясняет директор ISIS Эндрю Тейлор. "Проделаем простой эксперимент", - продолжает он. "Возьмите обычную шариковую ручку и согните ее. Что вы видите? Одна сторона растягивается, а другая сжимается - то есть, расстояние между атомами увеливается или сокращается".
"Теперь представьте себе, что вы делаете то же самое не с авторучкой, а с лопаткой турбины авиадвигателя Роллс-Ройс, причем делаете это при огромных механических и температурных нагрузках". "ISIS позволяет измерять эти нагрузки и видеть, как они меняют расстояние между каждым отдельно взятым атомом в турбине".
"И вы не просто делаете снимок - вы можете проследить, как объект меняется с изменением времени, температуры или любых других переменных величин. Вы посылаете не просто открытку, а целый видеорепортаж", - завершает свой рассказ ученый. Прибор первого поколения - ISIS-1 - превзошел все ожидания после того, как вступил в строй в 1984 году. Он дал ответ на фундаментальные вопросы - о магнетизме на атомном уровне, о свойствах так называемых "фуллеренов" - синтетических молекул углерода, которых в свое время окрестили величайшей надеждой нанотехнологии.
В то же время он помог в решении проблем повседневной жизни - поиске причин железнодорожных катастроф, или экономичных путей смягчения текстильных тканей.
Новые горизонты
Прибор второго поколения открывает перед учеными новые горизонты - сжатие материи, биомолекулярные технологии, создание новых материалов. "В 90-е годы стало очевидно, что существует целый ряд научных проблем, решить которые с помощью ISIS-1 мы не можем", - говорит Эндрю Тейлор.
"Мы хотели изучить полимеры и поверхностно-активные вещества - объекты, размеры которых не превышают несколько десятых ангстрема". "Более крупные молекулы нуждаются в нейтронах, которые соответствуют их структуре - нейтроны с большей длиной волны". Станция нового поколения предоставляет эти решения.
Прочнее стали
В каждом отсеке новой станции размещается свой экспериментальный прибор для отображения вещества. Нейтроны, как шарики, выстреливают по объекту, отражаются от атомов внутри и рассыпаются по детектору. Фиксируя углы отражения, ученые могут выстроить атомную структуру материала образца без того, чтобы вскрывать ее и забираться вглубь. И если другие технологии микроскопии высокого разрешения позволяют взглянуть лишь на поверхность материала, то ISIS способен представить картину его строения в разрезе, в естественном состоянии.
Возьмите, скажем, обычную кружку пива. Для того, чтобы понять, как отдельные молекулы спирта взаимодействуют с молекулами воды, наблюдать за ними нужно в водной среде. Пауки и черви-шелкопряды ткут свои ткани из жидкого сырья - получающееся в результате волокно оказывается намного прочнее чем все, что пока удается синтезиролвать ученым. Как им это удается? Ученые из лаборатории шелка в Оксфорде использовали ISIS-1 для измерения свойств жидкого сырья натурального шелка.
ISIS-2 способен проводить даже более мощные эксперименты, благодаря которым исследователи научились сохранять и воспроизводить рецепт изготовления шелка. А на глобальном уровне новая станция позволит ISIS успешно конкурировать с другими лабораториями по изучению нейтронов.
В их числе - французский институт ILL в Гренобле, который в качестве источника нейтронов использует постоянно действующий ядерный реактор, и источник нейтронов Spallation в городе Оук Ридж в американском штате Теннесси, который основывается на технологии ISIS.
Машины-конкуренты
Что же особенного в рассеивании нейтронов? В конце концов, есть и другие типы супермощных микроскопов. Один из них расположен в непосредственной близости с ISIS. Синхротрон Diamond в качестве источника света использует сверхточно направленное рентген-излучение, которое проникает глубоко в структуру вещества и материалов. Однако ISIS может делать вещи, на которые Diamond не способен.
"Мы видим материю совершенно иначе", - объясняет Эндрю Тейлор. "Нейтроны видят ядро атома. А рентген видит только электроны. А это означает, что нейтроны видят атомы водорода, а рентген нет". "К примеру, урановые гибриды. У урана 92 электрона, а у водорода только один. Рентгеновые лучи понятия не имеют, где найти водород. Но нейтроны видят водород и ядро урана при той же степени увеличения", - говорит ученый. Неудивительно, что инженеры-автомобилестроители, стремящиеся найти способ хранения водорода, работают с ISIS.
Джеймс Морган
Научный обозреватель Би-би-си