окисление

Представьте себе крошечную дыру в листе графена — один отсутствующий атом углерода. Раньше считалось, что молекула воды разрывается на этом дефекте только в одиночку, в сухом газе. Но если вокруг плещется жидкая вода, всё меняется.

Стопка страниц, которую листали много раз, запоминает это: одни листы ложатся ровно, другие топорщатся, а кое-где остаются заломы. Примерно так ведут себя слоистые материалы, когда в них входят ионы. В новой работе учёные наблюдали за отдельными чешуйками MXene — двумерного карбида титана — и увидели, как история циклов зарядки и разрядки меняет их структуру.

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Термоядерный реактор — это сверхгорячая печь, где плазма раскалена до миллионов градусов. Стенки такой печи делают из вольфрама: он тугоплавкий, как никакой другой металл. Но даже вольфрам не выдерживает без защиты: быстрые частицы из плазмы бомбардируют поверхность и выбивают атомы.

Если выключить плиту, вода перестаёт кипеть почти мгновенно. В мире катализа ожидали похожей картины: остановили реакцию — и все промежуточные частицы тут же исчезли. Но свежие наблюдения за платиновой крошкой показали совсем другое.

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.

Фотовспышка, срабатывающая за тысячную долю секунды, не нагревает объект — в отличие от обычной, которая длится целую секунду. Похожий фокус обнаружили в радиотерапии: когда дозу облучения выдают не за минуты, а за миллисекунды, здоровые ткани страдают меньше. Это назвали FLASH-эффектом.

Загадка радиусной долины — резкий провал числа экзопланет с радиусом ~1,8 земного — не даёт покоя астрономам. JWST, транзитные обзоры Kepler и TESS рисуют чёткий пробел: каменистые суперземли и газовые субнептуны разделены почти пропастью.

Луна — безвоздушный шар из плотной каменной крошки, которую называют реголитом. Когда из космоса в неё врезаются быстрые частицы, в грунте рождаются мюоны — нестабильные родственники электронов, только в двести раз тяжелее. Большинство летит вниз и гаснет в толще. Но те, что выскакивают вверх, в вакуум, успевают пролететь десятки километров, прежде чем распасться.

На прибрежном мелководье, где вода то отступает, то возвращается, жизнь подчинена ритму солнца. Коричневатая плёнка на поверхности ила — это не просто грязь, а плотное сообщество крошечных диатомовых водорослей. Днём они получают много света для фотосинтеза, но стоит солнцу разгуляться, как внутри клеток начинается настоящая химическая буря.

Молодая Земля была кипящим шаром жидкого камня, а врезавшаяся в неё Тейя успела остыть и окаменеть. Это как бросить кусок холодного масла в кастрюлю с супом: суп разлетается, а масло почти нет. Так и земные недра выплеснулись в космос, образовав облако из космической пыли и обломков. Постепенно из него собралась Луна.

Представьте слоистый коктейль: если его не мешать, тяжёлый сироп опускается на дно. Молодая планета в эпоху формирования напоминает бурлящий океан из раскалённого камня. При остывании в нём кристаллизуются минералы: одни, богатые железом, тяжелеют и тонут, другие остаются плавать ближе к поверхности. Логично предположить, что у ядра должен накапливаться плотный слой.

Мостик из алюминия толщиной в несколько атомов — сердце многих квантовых приборов. Через такой мостик ток течёт без сопротивления, и им можно управлять магнитным полем. Такие мостики называют джозефсоновскими контактами — по имени британского физика, который описал их поведение. Обычно их делают с помощью электронного луча, но это дорого и медленно.

Обычный кухонный нож из ниобия при −258 °C вдруг начинает проводить ток без малейших потерь. Так работает сверхпроводимость, и её можно «включить» прямо на поверхности металла, если обстрелять её лазером в атмосфере азота.

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.

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.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно его обработка похожа на работу скульптора с отбойным молотком: грубо, с трещинами и сколами. Но для электроники нужна ювелирная точность, ведь алмаз отлично проводит тепло, выдерживает высокие температуры и может работать в квантовых приборах.

Лунная пыль похожа на серый песок, но в ней нет ни глотка воздуха. Кислород там есть — он крепко связан в камнях, как сахар в карамели. Чтобы его достать, нужно разорвать химические связи, и учёные ищут самый простой способ. В лаборатории взяли искусственный лунный грунт, сделанный по образцам с «Аполлонов» и китайского «Чанъэ».

Оксид ванадия — материал, который может быть то изолятором, не проводящим ток, то проводником, как металл. Переключение занимает триллионные доли секунды, и на этом хотят строить сверхбыстрые электронные устройства. Но как именно это происходит, долго оставалось загадкой.

У экзопланеты TRAPPIST-1 кислородный фотосинтез — процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую с выделением кислорода, — проигрывает гонку за выживание. Эта звезда-карлик спектрального класса M излучает преимущественно в инфракрасном диапазоне, а не в видимом, как Солнце.

Когда бесчисленные астероиды бомбардировали молодую Землю, их удары вырывали фрагменты её мантии — внешней оболочки планеты. Эти обломки закручивались в космическом диске вокруг Земли и, подобно снежному кому, растущему в метель, постепенно срастались в Луну.

Образцы лунных пород, доставленные на Землю, поставили перед учёными парадокс: их возраст составляет 4,35 миллиарда лет, тогда как сама Луна, согласно моделям формирования, должна была возникнуть примерно на 150 миллионов лет раньше. Где же скрывается это пропавшее время? Разгадка таится в явлении приливного разогрева.

Сразу после формирования Луны Земля представляла собой раскалённый вращающийся шар из расплавленной породы — магматический океан, окутанный плотной атмосферой из газов. Луна, находясь на близкой орбите, действовала как гигантская гравитационная «мешалка»: её приливное воздействие вызывало постоянные деформации жидкой Земли.

Луна хранит тайну, которая десятилетиями не давала покоя планетологам: её изотопный состав почти неотличим от земного. По канонической модели гигантского столкновения, Луна должна была унаследовать большую часть вещества от ударника Тейи — планеты размером с Марс, врезавшейся в молодую Землю.