Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.954 RSS
←   Июнь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
05.06.2006
13:22:27
14:41:45
 6
06.06.2006
12:18:45
15:21:24
 7
 8
08.06.2006
15:13:22
20:44:45
 9
10
11
12
13
13.06.2006
11:57:38
17:03:59
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.954 подписчиков
+3 за неделю
←   Все выпуски   →

Стекло способно восстанавливаться после облучения


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Стекло способно восстанавливаться после облучения

05.06.2006

Повреждение в стекле, полученное при облучении электронами, затягивается само собой за пару минут (изображение из статьи в Physical Review Letters)
Повреждение в стекле, полученное при облучении электронами, затягивается само собой за пару минут (изображение из статьи в Physical Review Letters)

Известково-силикатные стекла способны за несколько минут устранять микроразрушения, полученные ими при облучении электронным пучком. Открытие окажется полезным для технологии безопасного хранения радиоактивных материалов.

Стекло — твердый, но очень хрупкий при комнатной температуре материал. Если стекло подвергнуть механической нагрузке, то из-за одной-единственной микроскопической трещинки стекло рассыпается на осколки. Затянуться, рассосаться само собой механическое повреждение, будь оно даже нанометрового размера, не сможет.

Повреждения в материалах можно создавать не только механически, но и радиационно, с помощью облучения пучками ионов, электронов или электромагнитных волн, например жесткого ультрафиолета. Характер этих повреждений зависит как от типа материала, так и от параметров облучения (см., например, недавнюю заметку Жесткое облучение и высокие давления приводят к необычным превращениям вещества).

Многочисленные эксперименты с облучением стекол показали, что их характеристики заметно меняются после радиационной нагрузки. Появились даже технологические процессы, использующие необратимые изменения стекла при облучении. При этом во всех случаях считалось само собой разумеющимся, что из-за характерной «неподвижности» молекул стекло не способно «залечивать раны» после облучения, по крайней мере при обычных температурах. Стекло, по сути, рассматривалось лишь как пассивное вместилище повреждений.

В свете этого кажется поразительным недавнее открытие американских физиков, опубликованное в статье K. A. Mikhoyan et al., Physical Review Letters, 96, 205506 (26 May). С помощью филигранного эксперимента они доказали, что в определенных случаях стекло восстанавливается полностью после довольно серьезных дефектов, полученных при облучении электронным пучком.

Оказалось, что на такие чудеса способно не любое стекло, а известково-силикатное стекло определенного состава: (CaO–Al2O3)0,9(2SiO2)0,1. Существенное отклонение от этих пропорций лишает стекло дара «самозаживления». В экспериментах американцев тонкий скол такого стекла подвергался действию электронного пучка, сфокусированного до диаметра в несколько нанометров. Как в процессе облучения, так и после него бомбардируемый электронами участок изучался с помощью двух приборов: электронного темнополевого детектора, чувствительного к общему распределению вещества в образце, и электронного спектрометра, который позволял изучать химический состав стекла непосредственно в зоне облучения.

Данные темнополевого детектора показали, что в процессе облучения вещество частично «вымывалось» из области действия луча и оседало на краях поврежденной зоны. Однако после выключения луча вещество послушно возвращалось обратно, и спустя пару минут уже не оставалось ни малейшего намека на какие-либо повреждения.

Более детальную информацию о происходящих внутри стекла процессах дал спектрометр. Оказалось, что мигрирует не весь материал стекла, а только ионы кальция. При облучении электронами они срываются со своих мест, перемещаются на поразительно большие для аморфного вещества расстояния в несколько десятков атомных размеров, терпеливо ожидают там выключения пучка, а затем возвращаются на свои места. Внутри же облучаемой области атомы кислорода, которые ранее были связаны с кальцием, становятся свободными и связываются друг с другом, образуя молекулярный кислород O2. Этот процесс затрагивает также и остальные компоненты, разрушая связи Al–O и Si–O, то есть полностью меняя структуру стекла. Однако как только ионы кальция возвращаются, кислород вновь послушно соединяется с ними, полностью восстанавливая исходную структуру.

Авторы полагают, что всей этой цепочкой превращений управляют обычные электростатические силы. Электронный пучок, проходя через вещество, выбивает встречающиеся на пути электроны (но не сами атомы!). Из-за этого зона повреждения становится положительно заряженной и возникает электрическое поле порядка мегавольта на метр. Под действием него положительные ионы кальция отрываются от кислорода и выталкиваются прочь, а внутри зоны начинается пересоединение химических связей. После выключения пучка, ионы кальция начинают диффундировать обратно (впрочем, авторы признают, что не понимают до конца, как именно происходит этот процесс) и воссоединяются с кислородом.

Кстати, последний шаг в процессе заживления радиационных повреждений — восстановление первоначальной химический структуры — далеко не тривиален. Например, если взять стекло не с 10-процентным, а с 33-процентным содержанием кремнезема, то полного восстановления не будет. Как показали опыты, в этом случае заметная часть кислорода так и остается в виде молекул O2. Вкупе с результатами уже давних опытов с аморфным кварцем (чистым SiO2), который вообще не восстанавливается после облучения, это означает, что повышенная концентрация кремнезема слишком сильно захватывает свободные кислородные связи и не дает восстановиться первоначальной структуре.

Авторы подчеркивают, что способность стекла полностью устранять радиационные повреждения обязана оптимальной пропорции между различными компонентами. Кальция, кислорода, кремнезема было ровно столько, сколько нужно для плавного протекания всех этапов «заживления». При отклонении от этих пропорций эффект теряется, и, возможно, именно поэтому на данное явление ученые наткнулись только сейчас.

Обнаруженное свойство известково-силикатных стекол критически важно для технологий хранения радиоактивных материалов. Оно означает, что в таком стекле радиационные повреждения не накапливаются со временем, по крайней мере под действием бета-излучения. Не исключено, что с этого момента начнется новая глава в технологии безопасного захоронения бета-радиоактивных материалов.

См. также:
A fresh look at glass, PhysicsWeb.org, 01.06.2006.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 
Конкурс ответов на детские вопросы. Участвовать могут все. Главный приз — цифровой фотоаппарат.

Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Предыдущие новости

05.06 Первым одомашненным растением был инжир

Израильские археологи обнаружили хорошо сохранившиеся остатки плодов инжира возрастом 11200–11400 лет. Судя по отсутствию семян, эта разновидность фигового дерева не могла размножаться без помощи человека. А значит, инжир был одомашнен на 1000 лет раньше, чем злаки и бобовые.

01.06 Cамым примитивным животным на земле оказался трихоплакс

Анализ митохондриального генома трихоплакса — загадочного многоклеточного существа, чрезвычайно просто устроенного — показал, что это самое архаичное из всех ныне живущих животных. Трихоплакс, по-видимому, стоит намного ближе к общему предку всех животных, чем губки и кишечнополостные.

01.06 Наследственная информация записана не только в ДНК

Французские генетики обнаружили у мышей необычный механизм передачи наследственной информации. Иногда у мышат могут проявляться признаки, характерные для их родителей, даже если гены, определяющие эти признаки, у мышат отсутствуют. По-видимому, кроме ДНК, врожденные качества определяются и другими молекулами, прежде всего РНК.

31.05 Гонококки обманывают иммунную систему, внося контролируемые изменения в свой геном

Гонококк Neisseria gonorrhoeae способен вносить изменения в ген своего поверхностного белка пилина, что затрудняет выработку иммунитета у зараженных людей. Этот процесс предполагает наличие в клетке гонококка двух копий генома. Американским микробиологам удалось показать, что действительно так и есть.

30.05 Подводные леса контролируются «сверху»

Экосистема подводных «лесов» — зарослей крупных бурых водорослей — зависит не столько от притока биогенных элементов, сколько от воздействия хищников. Регуляция «сверху вниз» (от потребителей к пище), а не «снизу вверх» (от пищи к потребителям) характерна как для нижнего трофического уровня (водорослей), так и для следующего за ним уровня растительноядных животных.

29.05 Обезьяны думают о будущем

С помощью серии тщательно продуманных экспериментов немецкие этологи показали, что способностью предвидеть будущее обладает не только человек. Обезьяны — орангутаны и бонобо — тоже планируют свои действия. Оба вида обезьян припасали нужные орудия для получения в дальнейшем той или иной награды.

29.05 Жесткое облучение и высокие давления приводят к необычным превращениям вещества

Немецкие ученые открыли новый тип фазовых переходов. В их экспериментах облучение тяжелыми ионами твердых материалов под высоким давлением приводило к неожиданным структурным изменениям вещества.

26.05 Новый метод лечения рака объединяет вирусы с клетками иммунной системы

Селективно убивать раковые клетки можно с помощью специфических онколитических вирусов. Однако против таких «полезных» вирусов восстает наша собственная иммунная система. Антивирусные барьеры могут быть преодолены, если для доставки онколитического вируса к раковым опухолям использовать сами клетки иммунной системы.

26.05 На описание нового вида плезиозавра японские палеонтологи потратили 38 лет

В то время как в молекулярной биологии статья трехлетней давности уже считается устаревшей, в других областях исследования замедляются из-за отсутствия финансирования. Так, только на днях вышла статья с описанием нового вида плезиозавра, найденного в 1968 году старшеклассником Тадаши Судзуки в 200 км к северу от Токио.
В избранное