Каждый хоть раз стучал по арбузу, чтобы по звуку определить его спелость. Похожий приём использовали физики, только вместо пальцев — вспышки невидимого света, а вместо арбуза — цементный гель, главное связующее вещество бетона. Направляя короткие электромагнитные импульсы и ловя отклик с помощью сверхчувствительной интерферометрии, они провели своего рода спектроскопию — анализ того, как материал взаимодействует с излучением. И услышали чёткий «звон» на частоте около одного терагерца (триллион колебаний в секунду). Этот сигнал называют бозонным пиком, в честь Шатьендраната Бозе и Альберта Эйнштейна, описавших коллективное поведение частиц. Он возникает в любых неупорядоченных телах, от стекла до мороженого, и несёт информацию о том, насколько пёстрая у них начинка на наноуровне.

Цементный гель — это не просто грязь, а слоистый материал из цепочек атомов кремния и кислорода, перемежающихся ионами кальция. Меняя соотношение кальция к кремнию (Ca/Si), можно управлять тем, насколько жёсткими будут отдельные нанообласти. Чтобы доказать это, учёные не только «послушали» образец светом, но и измерили его теплоёмкость при сверхнизких температурах, отслеживая энтропию — меру беспорядка в системе. Там, где классическая физика уже не работает, в дело вступают правила квантовой термодинамики. Исследователи применили модель, похожую на закон, открытый Максом Планком для света, и благодаря этому точно определили частоту пика. Оба метода независимо показали один и тот же бозонный пик, подтвердив предсказания численного моделирования на молекулярном уровне. Из формы пика извлекли число γ — параметр упругой неоднородности. Чем меньше γ, тем равномернее материал, а значит, меньше будет ползти под нагрузкой со временем.

Почему это важно? Бозонный пик даёт неразрушающий экспресс-тест: не нужно ломать образец, чтобы понять, как он поведёт себя через годы. Можно быстро оценивать отходы производства (золу, шлаки), которые сегодня добавляют в низкоуглеродные цементы, и подбирать смеси с наилучшей долговечностью. Кроме того, тот же пик задаёт предельно низкую теплопроводность бетона, то есть его способность удерживать тепло. В перспективе такой «наностук» поможет проектировать более тёплые дома и долговечные мосты, просто меняя рецепт на молекулярной кухне.