Зоопарк слабых сил

Трехмерная печать сегодня доступна для всех желающих. Фото Андрея Ваганова

Еще в 1948 году голландский физик Хендрик Казимир предсказал эффект, который следовал из квантовой теории поля (впоследствии он был назван эффектом Казимира). Согласно этой теории, абсолютной пустоты (вакуума) не существует. Если поместить две параллельные незаряженные проводящие пластины в вакуум, то при очень малых расстояниях между ними возникает притяжение. Дело в том, что вероятность рождения фотонов снаружи пластин выше, чем между ними. Внешнее давление, создаваемое фотонами, превышает давление в зазоре, и пластины притягиваются. Сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени от расстояния между пластинами. По мере уменьшения этого расстояния силы Казимира резко возрастают.

Силы-прилипалы

Сила Казимира – одна из целого семейства сил, которые физики называют слабыми. Тем не менее слабые силы могут оказывать заметное влияние на различные процессы, в том числе адгезионные (процессы прилипания), особенно в экстремальных условиях – космический вакуум, радиация, резкая смена температур, электризация, невесомость, микро- и наноразмерность объектов. В качестве слабых сил могут выступать и cилы Ван-дер-Ваальса, имеющие одну физическую природу с силами Казимира, и силы гравитации, дальнодействующие химической связи, оптические адгезионные силы (сила давления света).

Ван-дер-Ваальсовы, или межмолекулярные взаимодействия, о которых известно из школьного курса физики и химии, проявляются между любыми молекулами. Прочность межмолекулярных связей примерно на порядок ниже сил главных валентностей – химических, но именно ими обусловлено взаимодействие мелких частичек друг с другом, с различными подложками, сцепление между слоями ряда минералов (слюды), сцепление частичек почв, запыление мебели и т.п.

За счет чего же возникают подобные силы?

Рассмотрим пример использования метаматериалов (гибридных наноструктур из металлов и диэлектриков), на поверхности которых находится большое количество возбужденных плазмонов (облаков свободных электронов). При соприкосновении с поверхностью другого материала эти плазмоны начинают взаимодействовать с электронами второго материала, и за счет резонансного эффекта две поверхности сцепляются друг с другом. Этот эффект «слипания» возникает, когда метаматериал освещается светом с частотой, совпадающей с резонансной частотой плазмонов. Силы взаимодействия зависят от частоты и интенсивности падающего света и могут превышать силы Казимира.

Расчеты показывают, что интенсивности освещения в несколько десятков нановатт на квадратный микрометр достаточно… для преодоления гравитации Земли! «Включать» или «выключать» подобную силу можно включением или отключением источника света. При этом возможно поднимать и перемещать нанообъекты, манипулировать их оптическими свойствами.

Казимир без трения

Что касается сил Казимира, они изучены довольно подробно. Показано, что на расстояниях порядка 10 нм действие эффекта Казимира эквивалентно действию атмосферного давления (101,3 КПа), а при расстояниях около 200 нм эти силы могут стать доминирующими, что препятствует созданию и работе микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС, НЭМС). Все дело в том, что смазка начинает работать как клей, к примеру, за счет проявления сил притяжения.

Дальнейшие исследования (законы Лившица–Казимира) показали, что можно добиться и отталкивающего действия сил и за счет этого резко уменьшить трение в устройствах МЭМС и НЭМС. В последнее время группа профессора Лопеза (США) сумела добиться этого за счет создания областей, структурированных на наноуровне (специальные виды шероховатости поверхности). Характерные размеры этих шероховатостей – около 50 нм в каждом измерении на поверхности твердых тел. Использование луча лазера в качестве источника светового давления позволило управлять силами Казимира, бороться с нежелательными эффектами слипания частей в устройствах НЭМС и МЭМС.

Американские исследователи пошли дальше. Они показали возможность создания устройств и механизмов молекулярного уровня на основе метаматериалов без трения. Это означает, что левитация на наноуровне практически достигнута. Появились реальные устройства на основе работы сил Казимира – микроволновые выключатели, МЭМС-осцилляторы и гироскопы. Силы Казимира необходимо учитывать в технике зондирования, телекоммуникации, хранения информации, контакте двумерных пленок графена с углеродными нанотрубками, в процессах полимеризации на поверхности… Во всех этих процессах слабые силы часто выполняют роль тонкой настройки общего адгезионного процесса.

Недавно было доказано, что эффект Казимира приложим и для жидкостей. Оказалось, что сила Казимира зависит от температуры, шероховатости поверхности, наличия или отсутствия электростатических зарядов, то есть можно ожидать новых его приложений.

Так, китайским ученым (группа Вэй Сюнбина) удалось захватить и двигать застрявшие кровяные клетки (тромб) внутри капилляров при помощи оптических пинцетов (щипцов) в произвольном направлении. Основой устройства стал микролазер в инфракрасном диапазоне мощностью несколько сотен милливатт. Материалы с меняющимися под действием света оптическими свойствами дают возможность использования подобных устройств в медицинской практике. И не только.

Продукция 3D-принтеров идет нарасхват. Фото Андрея Ваганова

Слоистые технологии

Проблемы адгезии становятся определяющими при получении (выращивании) молекулярных слоев на различных подложках (бумага, металлы, сплавы, керамика, пластмассы), то есть в технологиях 3D-печати. Процесс, известный как аддитивное производство (additive manufacturing), уже произвел революцию в промышленности, технике, дизайне, медицине из-за его дешевизны, простоты, экологичности и безотходности.

В Китае методом 3D-печати изготавливают несущие элементы в самолетах. NASA успешно испытала части ракетного двигателя, напечатанные на 3D-принтере. Через шесть лет, предсказывают специалисты NASA, станет возможным печатать в космосе, в условиях невесомости, конструкции диаметром в десятки метров, протяженностью в сотни метров и даже километров – ограничений нет! – с помощью паукообразных роботов-сборщиков.

В связи с интенсивным освоением космического пространства такие конструкции удобнее всего создавать именно методом 3D-печати. Сырье легко доставить на орбиту. Кстати, в качестве сырья для 3D-печати можно использовать различные порошки, волокна, минералы, грунт, даже частички вулканической пыли и сажи, в огромном количестве образующихся при лесных, нефтяных и иных пожарах (лето 2010-го в России чего стоило). Собирать частички можно с помощью фильтров, а принтер доставить на околоземную орбиту, на Луну или Марс легче и дешевле, чем везти туда готовые конструкции.

Так как в основе метода 3D-печати лежит процесс послойного формирования всевозможных структур, то качество изделий и их долговечность будут определяться прочностью связывания между одинаковыми (когезия) и различными по природе слоями материалов (адгезия). То есть процесс 3D-печати, по сути, является адгезионно-когезионным.

Часто в технологии используется струйная печать, выполняемая блоком головок, одна из которых содержит быстро твердеющий полимер, смолу или адгезив, обеспечивающий надежное послойное склеивание-сцепление частичек порошков, проволок, лент. Этот процесс лежит в основе создания-выращивания твердого объекта.

3D-печать – это уже шестой технологический уклад с элементами седьмого. Но, как это ни парадоксально, этот процесс давно реализован в природе. Вспомним обрастание корпусов судов всевозможными микроорганизмами (балянусами, к примеру). И обрастание это послойное. Вначале адгезия «работает» на границе раздела «корпус судна – микроорганизмы», затем на эти слои микроорганизмов наращиваются новые с помощью природных клеев, выделяемых самими же микроорганизмами. Толщина такой «брони» может достигать десятков сантиметров.

Чему учит бионика

Получается, что очередную «волну Кондратьева» вновь оседлали не мы, а американцы. Хотя о выращивании заводов, фабрик и домов наши ученые, включая одного из авторов этой статьи, говорили лет 30 назад. Такие возможности обсуждались, в частности, на конференциях по архитектурной бионике, проводимых под руководством профессора Ю.С. Лебедева (Москва), У.Ш. Ахмерова (Казанский университет), крупнейшего специалиста по гидробионтам академика Г.Б. Агаркова (Киев, Украина). Вопросы широко обсуждались и на Научном совете Академии наук СССР по комплексной проблеме «Кибернетика».

Уже в 80-х годах прошлого века обсуждалось подводное строительство в шельфовой зоне. При этом нестандартность задачи привела к необходимости изучать взаимодействие строительных материалов с окружающей водной средой и ее обитателями. Были проведены работы по формированию и изготовлению полевых лабораторий и базовых строений на Черноморском побережье Крыма.

Они представляли собой собранные из металлических сеток полусферы диаметром 3–5 м с проемами для окон и дверей. Эти заготовки предполагалось опустить на дно моря и всю дальнейшую работу переложить на морские микроорганизмы (живые принтеры), которые собрали бы (вырастили) эти изделия за счет процессов послойного обрастания металлического каркаса толстым слоем «панциря» из баланусов. А далее готовые корпуса предполагалось вытаскивать на сушу, застеклять проемы окон, навешивать двери…

А космос предоставляет для выращивания конструкций прекрасные условия. Так, процессы полимеризации (твердения) лучше протекают при воздействии радиации, повышенных температурах. В космическом пространстве все эти факторы в наличии. Световое давление также дармовое, статической электризации предостаточно. Вакуум тоже играет положительную роль, ибо адгезионная прочность в вакууме возрастает, а ювенильные (свежеобразованные) поверхности сцепляются и без клея при сдавливании.

Можно скреплять части изделий с помощью электроадгезионного способа сцепления, также не требующего клея. Или осуществлять диффузионную сварку, благо вакуум дармовой, как и температуры. И силы Казимира всегда в помощь, наряду с оптическими адгезионными. Совсем недавно обнаружена новая слабая сила притяжения, производимая излучением абсолютно черного тела, по порядку близкая к силам Казимира.

В связи со сказанным изготовление пистолетов и подобных изделий методом 3D-печати – это игрушки. Впереди выращивание органов человека, межпозвоночных дисков, наращивание костей при травмах. Починка космических кораблей, ремонт на МКС станут будничной работой. В продажу уже поступили нанотрубочные карандаши с грифелем из спрессованных углеродных нанотрубок, позволяющие рисовать датчики и другие изделия, 3D-ручка (3Doodler), позволяющая рисовать пластиком самые различные трехмерные фигуры. А институт коллоидов общества Макса Планка (Германия) представил новый вариант «бумажной» электроники со сложными электропроводящими структурами, в том числе и трехмерными. То есть локомотив 3D-печати уже не остановить.