Фокусы современных ученых еще несколько веков назад сочли бы шаманством, обманом или колдовством. Но в основе волшебства – физические и химические законы, опираясь на которые почти сто лет назад исследователи предсказали появление нового материала.
Необычный громкоговоритель
В 2008 году китайские ученые под руководством Кайли Цзяна (Kaili Jiang) в журнале Nano Letters опубликовали статью «Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers». Они описали и продемонстрировали термоакустическую пленку, изготовленную на основе наноуглеродных трубок. Непримечательная прозрачная пластинка толщиной с человеческий волос под микроскопом похожа на густой лес. Параллельно друг другу на кремниевой «земле» растут углеродные «деревья». «Лес» работает как мощнейший громкоговоритель. Причем пленку не нужно натягивать на каркас динамика и можно изгибать.
Секрет мощного динамика состоит в том, что передача звукового сигнала происходит не за счет вибрации пленки, а по принципиально иному механизму. Громкоговоритель из нановолокон звучит благодаря термоакустическомму эффекту, который возникает из-за колебаний температуры. Заправляет всем процессом электрический ток: каждый импульс подогревает нанотрубочку, и она передает тепло в окружающую среду. Нагретый воздух и создает звуковую волну.
Пророчество
Описанный эффект впервые предсказали Арнольд (Arnold H. D) и Крэндалл (Crandall I. B.) в 1917 году. Они описали совершенно четкие и корректные физические параметры, которыми должен обладать термоакустический материал, и вывели формулу звукового давления. Но в то время ученые подходящего вещества не нашли. Да и не могли, ведь наноуглеродные «леса» на кремниевой «земле» начали расти недавно.
Кручу как хочу
Для работы высокотехнологичного динамика нужны лишь электроды. Соответственно, и динамики можно использовать так, как заблагорассудится: положить на стол, повесить на потолок или обернуть им ноутбук. Можно создать поющие шторы, пеленки и флажки. Впрочем, такие «выкрутасы» пригодны не только для развлечений, но и для вполне целевого использования. Например, для равномерного звучания музыки совсем не обязательно расставлять колонки по периметру зала. Достаточно повесить одну термоакустическую сферу в центре (вместо люстры например).
Ученые из Техасского университета в Далласе (University of Texas at Dallas) придумали, как использовать термоакустик Цзяна для государственной безопасности. По словам исследователей, если в такой материал «запеленать» субмарину, то она станет невидимой для вражеских радаров.
Подводный «Элдридж»
Физики уверены, что с помощью термоакустика можно одновременно измерять глубину и маскировать субмарину. Для воплощения в жизнь несколько фантастичного проекта ученым предстояло выяснить, насколько быстро можно нагреть и охладить термоакустик и способен ли материал выдерживать экстремальную температуру без потери свойств. Более того, звуковая волна в плотной среде распространяется несколько иначе, да и нанотрубки могут слипнуться. Все это -- препятствия на пути проекта, который чем-то напоминает филадельфийский эксперимент.
Али Алиев (Ali E. Aliev) и его коллеги испытали многослойную и однослойную термоакустическую пленку в чистой воде и в растворах спирта. Исследователи пытались понять, какие условия необходимо соблюсти, чтобы термодинамик работал и в плотной жидкой среде.
Экспериментаторы обнаружили, что за счет гидрофобных свойств углерода каждая нанотрубочка оказывается упакованной в свой личный воздушный «мешочек». Благодаря такому механизму нанотрубочки не слипались. Причем он оказался даже более эффективен, чем добавление в воду спирта, который тоже должен был предотвратить намокание и слипание «щетинок». Более того, воздушные пузырьки оказались достаточно устойчивыми в широком диапазоне температур.
Правда, Али Алиев и его коллеги выяснили, что многослойные акустические системы медленнее превращают термическую энергию в звуковую волну. Но и эту проблему можно решить, если увеличить просвет между отдельными акустическими пластинками. Они звучат в широком диапазоне -- от 1 до 105 Гц, но не все частоты нужны подводникам. Наиболее приятный результат ученые получили, обработав термоакустик аргоном. Таким способом они настроили наноуглеродый динамик на нужную низкую частоту.
«С помощью низкочастотных акустических излучений можно сканировать океан и прятать корабль от вражеских радаров», -- говорит Али Алиев. В эксперименте ученые смогли настроить динамик не на излучение, а на поглощение звуковых волн. Это означает, что спрятаться можно практически от любого радара, вне зависимости от того, по шуму или по тишине происходит поиск корабля.
Результаты эксперимента появились в статье «Underwater Sound Generation Using Carbon Nanotube Projectors», опубликованной в Nano Letters.
