перенос в электролитах

Внутри стали будущего термоядерного реактора образуются крошечные пузырьки гелия, и на их стенках разворачивается химическая драма. Атомы хрома и тантала, как стражи, занимают места у границы полости и меняют правила игры для водорода.

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

В тёмной камере ловушки тысячи заряженных частиц танцуют под электрическими полями. Сначала они движутся свободно, как толпа на площади, но стоит охладить облако, и танец замедляется: ионы начинают чувствовать друг друга, их шаги становятся скованными. В какой-то момент движение замирает совсем, и облако превращается в подобие жидкости, где каждая частица колеблется на месте, но не может уйти далеко.

Капля воды на плёнке фторполимера сначала ведёт себя как положено: лежит и испаряется. Но стоит ей уменьшиться до четверти начального размера, как она срывается с места и за доли секунды проскакивает расстояние, в несколько раз превышающее её собственный радиус. Дальше она ползёт медленно, но упорно, оставляя за собой невидимый след из электрических зарядов.

Курьер с посылкой входит в густой лес из переплетённых верёвок. Он должен доставить груз вглубь, но по дороге теряет силы, и каждый шаг даётся всё труднее. Так выглядит фермент, который разрушает плотный гель из биологических молекул. До недавнего времени никто не мог одновременно видеть, как курьер движется и как редеет лес.

Озеро в засуху мелеет не сразу. Сначала на глади появляются островки суши, они расширяются, сливаются, и лишь потом вода уходит с обнажившегося дна. Похожим образом ведёт себя кристалл мирабилита, когда теряет воду: на его поверхности проступают круглые пятна безводной соли, которые растут вширь, а затем начинают углубляться.

Представьте длинную нить, запертую в сфере с заряженными стенками. Нить — это РНК вируса, сфера — его белковая оболочка. Нить пытается улечься так, чтобы её заряды были как можно ближе к противоположным зарядам на стенке. Но в растворе есть соль, и её ионы работают как толпа посредников: они прилипают к зарядам и ослабляют их притяжение.

В тёмных межзвёздных облаках, где рождаются новые звёзды, химия начинается с крошечной частицы — иона триводорода (H₃⁺). Этот ион, состоящий из трёх протонов и двух электронов, сталкивается с другими атомами и запускает каскад реакций, которые строят всё более сложные молекулы.

Слоистый кристалл La₃Ni₂O₇ под давлением ведёт себя как оркестр, где дирижёр меняет громкость разных групп инструментов. При сжатии растёт перескок электронов между слоями — казалось бы, это должно усиливать сверхпроводимость — состояние, при котором электрический ток течёт без сопротивления.

Слоёный пирог, в котором каждый корж проводит электричество по-своему — так устроен кристалл La3Ni2O7, соединение никеля, лантана и кислорода. Ток вдоль слоёв идёт иначе, чем поперёк. Исследователи измерили сопротивление этого материала с высокой точностью, сжимая его алмазными наковальнями до давлений в десятки тысяч атмосфер.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

Безмембранные органеллы — крохотные фабрики внутри клетки — нарушают привычные каноны. Взять хотя бы ядрышко: здесь синтезируются рибосомные РНК — длинные цепи, сплетённые из углеродных сахаров, богатые кислородом фосфатных групп и прошитые водородными связями, взвешенные в водной среде ядра.

Когда физики прогоняют электроны по сверхчистому каналу арсенида галлия при гелиевых температурах, они рассчитывают увидеть послушную, почти идеальную жидкость. Но с ростом тока сопротивление начинает капризничать: на графиках возникают горбы и провалы, упрямо не укладывающиеся в простую ньютоновскую модель.

Твердый электролит — не просто кристаллическая решётка, а настоящий оживленный мегаполис для ионов. Каждый акт проводимости напоминает поездку через город: есть широкие магистрали с низким энергетическим барьером, глухие пробки в узких местах и коварные объезды, где ион может застрять.

Ионный проводник напоминает переполненный автобус, где пассажиры (ионы) пытаются протиснуться к выходу. Раньше считалось, что быстро выйти можно либо если автобус мягко покачивается (мягкая решётка), либо если пассажиры стоят в хаотичном порядке (геометрический беспорядок). Новая работа показывает: это не два разных трюка, а один и тот же.

Сверхтвёрдое тело — экзотическое состояние материи, сочетающее кристаллический порядок со сверхтекучестью: вещество одновременно сохраняет жёсткую периодическую структуру и течёт без трения. Его получают, охлаждая атомы почти до абсолютного нуля.

Миллионы ресничек — тонких волосков — трудятся внутри крошечных протоков нашего тела. Они бьются согласованно, словно вёсла галеры, и проталкивают вязкую слизь или жидкость. Авторы новой работы предложили смотреть на ресничный ковёр как на активную пористую среду — что-то вроде губки, которая сама себя сжимает и разжимает, прогоняя воду.

В стакан с водой падают две крупинки соли. Они растворяются, ионы натрия и хлора расходятся по всему объёму. Школьная истина проста: одинаковые заряды отталкиваются, разные — притягиваются. Но недавние опыты с крошечными шариками в жидкостях показали картину, которая ломает это правило.

Капля густого шампуня падает в воду и застывает причудливым жгутом. Жидкость, которая одновременно течёт и пружинит, называют вязкоупругой. В ней крошечные частицы под действием ультразвука ведут себя совсем не так, как в воде. Вязкоупругость — свойство материала одновременно растекаться как мёд и возвращать форму как резина.

Выдавливая кетчуп из бутылки, вы воюете с его упрямством: сначала он стоит на месте, потом резко вылетает целой порцией. Это типичный неньютоновский нрав — сопротивление течению меняется в зависимости от того, как сильно вы давите. Но авторы новой работы нашли способ убрать это сопротивление почти полностью.

В кристалле из воды и едкого цезия атомы кислорода и цезия сидят на своих местах, как бусины в жёсткой сетке. Атомы водорода ведут себя иначе — они словно пассажиры, которые постоянно пересаживаются с места на место. В этом слоистом веществе каждый кислород связан с тремя соседями водородными мостиками, образуя подобие пчелиных сот.

В речном потоке вода нередко закручивается в воронки. Но аналогичное поведение демонстрируют и носители заряда в полупроводниках — основе современных микрочипов. При низких температурах и в образцах исключительной чистоты электроны переходят в особое состояние, напоминающее жидкость.

Обычная батарея в телефоне дышит — но не воздухом, а контактом. Внутри твёрдого тела, где нет жидкостей, литий при зарядке прижимается к электролиту (веществу, проводящему ионы), а при разрядке отходит, словно лёгкое на вдохе и выдохе. Это «дыхание» — не поэзия, а физика: каждый цикл рождает и убивает точки касания, через которые идёт ток.

Мяч катится на холм, но сил не хватает — и он скатывается обратно. Так велит классическая механика. А в квантовом мире крошечная частица иногда проходит холм насквозь, будто и не замечая преграды. Этот фокус — туннелирование — для лёгкого атома водорода обычное дело.

Литий-ионная батарея похожа на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут ионы лития. Когда батарею заряжают, ионы переезжают с этажа на этаж, и весь дом немного нагревается. Обычно это тепло уходит равномерно, как от тёплого пола. Но иногда в одном месте становится слишком жарко — и тогда весь дом может вспыхнуть.

Кусок магнетита — обычного железного камня — ведёт себя странно. При комнатной температуре он проводит электричество, но стоит охладить его ниже минус 150 градусов, как сопротивление резко подскакивает. Этот скачок, открытый ещё в 1939 году, физики не могли объяснить почти век. Новая работа предлагает разгадку.

Мемристор — это резистор с памятью: после выключения тока он сохраняет своё сопротивление. Внутри него тонкая плёнка оксида металла зажата между двумя металлическими электродами. Когда через устройство впервые пропускают сильный ток, в оксиде образуются проводящие нити из кислородных пустот, и сопротивление резко падает.

Кристалл, который обещал проводить ток без потерь при комнатной температуре, оказался похож на карточный домик: тронь — рассыплется. Два соединения — с серебром и с золотом — считались кандидатами в сверхпроводники, но проверка показала, что оба не выдерживают даже обычных условий. В серебряном варианте решётка просто схлопывается.

В тонком канале полупроводника электроны ведут себя не как одиночки, а как толпа в час пик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, и от этих столкновений зависит, насколько легко тепло и электрический ток проходят через материал. Обычно эти два потока идут рука об руку: хороший проводник электричества так же хорошо проводит тепло.

Литиевая батарея похожа на бутерброд: два куска хлеба — электроды, а между ними начинка — электролит, через который ионы лития бегают туда-сюда. В обычных батареях начинка жидкая, как соус, и может протечь или загореться. В твёрдотельных батареях начинка — как ломтик сыра: он не течёт, но важно, чтобы он не крошился и не вступал в реакцию с хлебом.

Внутри клетки есть крошечные жидкие капли — как масляные шарики в воде. Они собираются из белков и РНК и нужны для самых разных дел: от хранения молекул до ускорения реакций. Но если капли начнут сливаться друг с другом, получится одна большая лужа, и это сломает клетке всю организацию.

Молекула воды, оказавшись рядом с углеродным кольцом — например, в ароматической структуре, — начинает вибрировать, и эти колебания тут же попадают под управление невидимого дирижёра.

Поверхность Европы — ледяная броня, которую непрерывно обстреливают заряженные частицы из магнитосферы Юпитера. Электроны врезаются в кристаллическую решётку льда, теряют энергию и запускают химические реакции. Раньше не было инструмента, который бы показывал, насколько глубоко такая бомбардировка прошивает лёд. Теперь он появился.

Электрон, летящий сквозь газ, похож на пловца, который пытается пересечь оживлённый бассейн. Каждое столкновение с атомом меняет его курс и скорость. В плотном газе аргона таких столкновений так много, что простое описание перестаёт работать. Физики измерили подвижность электронов — насколько легко они дрейфуют под действием электрического поля.

Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов, и он ведёт себя как суп из заряженных частиц. Чтобы предсказать, как такой суп течёт и нагревается, нужно знать, как частицы сталкиваются и обмениваются энергией.

Вода, расщеплённая электричеством на водород и кислород, — давняя мечта о чистом топливе. Но на пути встают крошечные пузырьки газа: они облепляют электроды, как пена на стенках стакана с газировкой, и мешают току делать свою работу. Каждый такой пузырёк — это крошечная пробка, блокирующая часть поверхности, где должна идти реакция.

Клеточная мембрана — это не просто стенка, а проходная с турникетами. В ней сидят белковые каналы, которые впускают и выпускают ионы и тем самым создают электрический заряд — как батарейка, от которой работают нервы и мышцы.

Под ледяной корой Энцелада, спутника Сатурна, скрывается океан, функционирующий подобно идеальной тепловой помпе — системе, которая переносит тепловую энергию от экватора к полюсам, затрачивая на это в тысячу раз меньше энергии, чем перемещает.

Тонкий слой полупроводника при низкой температуре ведёт себя как кастрюля с мёдом: электроны в нём текут не поодиночке, а как густая жидкость. Если прогнать через такой слой переменный ток, сопротивление откликается плавной кривой. Добавь постоянный ток — и на этой кривой появляется провал, который становится глубже с силой тока.