В 1987 году в стенах Королевского института (The Royal Institution) прошла серия знаменитых Рождественских лекций, посвященная материалам, которые изменили облик современной цивилизации. Химик Джон Мейриг Томас вместе с коллегами продемонстрировал, как управление движением электронов в кристаллах — от сверхпроводников до полупроводников и катализаторов — открывает путь к технологиям будущего: от поездов на магнитной подушке до экологически чистой энергетики.
❄️ Сверхпроводимость: от льда Гемфри Дэви до «керамической революции» 0:41
Джон Мейриг Томас начал лекцию с исторической реконструкции эксперимента, впервые проведенного Гемфри Дэви 180 лет назад прямо за этим же лабораторным столом . Суть опыта проста: при охлаждении металла его электрическое сопротивление падает. Томас продемонстрировал это, охладив проволоку, по которой шел ток, обычным куском льда, что заставило её раскалиться докрасна на другом конце из-за перераспределения энергии .
Однако настоящий прорыв в этой области случился в 1911 году, когда Гейке Камерлинг-Оннес в Лейдене обнаружил, что при температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление ртути не просто падает, а исчезает вовсе . По словам лектора, если представить сопротивление меди при комнатной температуре как расстояние в несколько шагов, то при сверхпроводимости это расстояние эквивалентно дистанции до края Вселенной — настолько фундаментален этот переход .
Долгое время сверхпроводимость считалась уделом экстремально низких температур, достижимых только с помощью дорогого жидкого гелия. Но в конце 1986 — начале 1987 года научный мир потрясло известие о создании новых оксидных материалов . Ученые из Швейцарии, США, Японии и Китая (публикация в «Жэньминь жибао» от 27 декабря 1986 года стала одной из первых) независимо друг от друга синтезировали керамику, переходящую в сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота .
В лектории продемонстрировали структуру этого нового «чудо-материала» — YBa2Cu3O7 (итрий-барий-медный оксид) . Томас отметил, что такие материалы можно буквально «приготовить» из смеси оксида меди, карбоната бария и оксида иттрия, нагрев их до образования расплава .
🚄 Магнитная левитация и транспорт будущего 10:14
Для демонстрации свойств новых материалов был приглашен доктор Колин Гофф из Бирмингемского университета. Он наглядно показал два ключевых эффекта:
- Нулевое сопротивление: При погружении черного керамического стержня в жидкий азот приборы зафиксировали мгновенное падение сопротивления до абсолютного нуля .
- Эффект Мейснера (левитация): Сверхпроводник выталкивает магнитное поле. В эксперименте маленький магнит буквально завис в воздухе над охлажденным сверхпроводником .
Колин Гофф также продемонстрировал «подшипники без трения», где ротор с магнитами вращался в сверхпроводящих чашах, не касаясь стенок .
Обсуждая практическое применение, Джон Мейриг Томас напомнил о японских поездах на магнитной подушке (Maglev), которые в 1987 году уже достигали скорости 550 км/ч . Однако существующие тогда системы требовали дорогого гелиевого охлаждения. По мнению Томаса, открытие высокотемпературных сверхпроводников позволит в будущем создать дешевые и эффективные транспортные системы, которые, возможно, заставят человечество вовсе отказаться от колеса .
🧠 Полупроводники: «Электронный мозг» и магия примесей 18:42
Переходя к теме полупроводников, лектор сослался на записи Майкла Фарадея от 1833 года . Фарадей заметил, что сульфид серебра ведет себя противоположно металлам: при нагревании он начинает проводить ток лучше . Это свойство легло в основу всей современной электроники.
Джон Мейриг Томас объяснил феномен легирования на яркой аналогии: если в миллиард атомов чистого кремния добавить всего один атом бора или фосфора, свойства материала меняются кардинально . «Это как если бы в население Китая поместили одного европейца, и вся страна внезапно перестала говорить по-китайски и есть китайскую еду», — пошутил профессор .
В ходе лекции были показаны:
- Интегрированные схемы: Кремниевая пластина, на которой размещено 21 000 транзисторов .
- Визуализация работы чипа: С помощью сканирующего электронного микроскопа зрители увидели «думающий мозг» — изменение контраста в областях цепи, через которые проходит ток .
- Микроминиатюризация: Самая маленькая в мире рождественская открытка (разработчики — доктора Бургер и Никсон из Кембриджа), размер которой позволяет разместить миллион таких копий на головке булавки .
👁️ Инфракрасное зрение и термография 28:42
Полупроводники на основе кадмия, ртути и теллура (КРТ) обладают уникальной чувствительностью к инфракрасному излучению — теплу человеческого тела . Дэвид Смит из Королевского центра сигналов и радаров (RSRE) продемонстрировал возможности тепловизионной камеры.
С помощью этой технологии лекторы проверили теорию графа Рамфорда (Бенджамина Томпсона). Рамфорд в XVIII веке утверждал, что аристократическая привычка подавать кофе в золоченых сосудах — это лишь бахвальство, так как металл быстрее отдает тепло . Тепловизор подтвердил: металлический кофейник «светится» ярче, активно теряя энергию, в то время как фарфоровый лучше удерживает тепло .
Дэвид Смит показал и другие применения тепловидения:
- Обнаружение солдат сквозь дымовую завесу (длинноволновое излучение не рассеивается дымом) .
- «Прозрачность» черного полиэтилена для ИК-лучей .
- Тепловой след руки на обложке телефонного справочника, который остается видимым даже спустя 100 перевернутых страниц .
💡 Энергетика будущего: Фотокатализ и топливные элементы 36:17
Джон Мейриг Томас обратил внимание на неэффективность обычных ламп накаливания: менее 5% потребляемой ими энергии превращается в свет . В качестве альтернативы были представлены светодиоды (LED) и лазерные чипы. Питер Уильямс из исследовательского центра Аллена Кларка показал лазер размером с булавочную головку, способный передавать информацию со скоростью 2 Гбит/с — это десятки тысяч одновременных телефонных разговоров по одному оптоволокну .
Особое внимание уделили катализаторам. Катализатор — это материал, ускоряющий химическую реакцию без собственного расхода. Лекторы продемонстрировали:
- Расщепление воды: С помощью фотокатализатора (сульфида кадмия) и солнечного света можно получать водород прямо из воды .
- Очистка выхлопных газов: Автомобильные катализаторы из платины и родия превращают токсичный угарный газ в безвредный CO2 .
В финале лекции Томас рассказал о «элементе Гроува» — прообразе современных топливных элементов, изобретенном Робертом Гроувом в 1842 году . Эта технология, позволяющая получать электричество напрямую из водорода и кислорода, уже тогда использовалась во всех пилотируемых космических аппаратах, обеспечивая экипаж не только энергией, но и питьевой водой (продуктом реакции) .
По прогнозу профессора Томаса, в XXI веке такие экологически чистые «энергетические станции» на основе катализа и электрохимии будут разбросаны по всему миру, обеспечивая энергией больницы и города .
