Автор: Володимир

Тонкоплівкове покриття можна наносити на магнієві сплави для аерокосмічного та оптичного застосування. Іноді для чіткого бачення потрібен повний чорний колір. Для астрономії та точної оптики пристрої з нанесенням чорної фарби можуть зменшити розсіяне світло, покращуючи зображення та підвищуючи продуктивність. Для найдосконаліших телескопів і оптичних систем кожна дрібниця має значення, тому їх виробники шукають найчорніші чорні кольори для їх покриття.

У Journal of Vacuum Science&Technology A, видавництві AIP Publishing, дослідники з Шанхайського науково-технічного університету та Китайської академії наук розробили ультрачорне тонкоплівкове покриття для магнієвих сплавів аерокосмічного класу. Їхнє покриття поглинає 99,3% світла, водночас досить міцне, щоб вижити в суворих умовах. Для телескопів, що працюють у космічному вакуумі, або оптичного обладнання в екстремальних умовах існуючих покриттів часто недостатньо.

Удосконалення чорних покриттів

«Існуючі чорні покриття, такі як вертикально розташовані вуглецеві нанотрубки або чорний кремній, обмежені крихкістю», — сказав автор Юньчжень Цао. «Для багатьох інших методів покриття також важко наносити покриття всередині труби або на інші складні конструкції. Це важливо для їх застосування в оптичних пристроях, оскільки вони часто мають значну кривизну або складну форму».

Щоб вирішити ці проблеми, дослідники звернулися до атомно-шарового осадження (ALD). За допомогою цієї технології виготовлення на основі вакууму мішень поміщається у вакуумну камеру та послідовно піддається впливу певних типів газу, який прилипає до поверхні об’єкта тонкими шарами.

«Одна велика перевага методу ALD полягає в його чудовій здатності до ступінчастого покриття, що означає, що ми можемо отримати рівномірне покриття плівки на дуже складних поверхнях, таких як циліндри, колони та траншеї», — сказав Као.

Щоб зробити ультрачорне покриття, команда використовувала чергування шарів легованого алюмінієм карбіду титану (TiAlC) і нітриду кремнію (SiO2). Ці два матеріали працюють разом, запобігаючи відбиванню майже всього світла від покритої поверхні.

«TiAlC виконував роль поглинаючого шару, а SiO2 використовувався для створення антиблікової структури», — сказав Као. «В результаті майже все падаюче світло потрапляє в багатошарову плівку, досягаючи ефективного поглинання світла».

Майбутні програми та вдосконалення

Під час тестів команда виявила середнє поглинання 99,3% у широкому діапазоні довжин світлових хвиль, від фіолетового світла на 400 нанометрів до ближнього інфрачервоного на 1000 нанометрів. Використовуючи спеціальний бар’єрний шар, вони навіть нанесли покриття на магнієві сплави, які часто використовуються в аерокосмічній галузі, але легко піддаються корозії.

«Щобільше, плівка демонструє чудову стабільність у несприятливих умовах і достатньо міцна, щоб витримувати тертя, спеку, вологість і екстремальні зміни температури», — сказав Цао.

Автори сподіваються, що їх покриття буде використано для покращення роботи космічних телескопів і оптичного обладнання, що працює в найекстремальніших умовах, і працюють над подальшим покращенням його продуктивності.

«Тепер, коли плівка може поглинати понад 99,3% вхідного видимого світла, ми сподіваємося ще більше розширити її діапазон поглинання світла, включивши в нього ультрафіолетові та інфрачервоні області», — сказав Цао.

Дослідники виявили нерівномірний розподіл температури в мікромеханічних резонаторах, що впливає на їх дизайн і продуктивність у квантовій науці та точному вимірюванні. Вимірюючи незначні зміни таких величин, як сили, магнітні поля, маси малих частинок або навіть гравітаційні хвилі, фізики використовують мікромеханічні резонатори, які діють як камертони, резонуючи на певних частотах. Традиційно вважалося, що температура в цих пристроях є рівномірною.

Змінність температури в резонаторах

Однак нове дослідження, проведене співробітником JILA та професором фізики Університету Колорадо в Боулдері Сінді Регал та її командою, доктором Равідом Шанівом і аспірантом Крісом Рітцем, виявило, що в конкретних сценаріях, таких як передові дослідження взаємодії між світлом і механічними об’єктами, температура може відрізнятися в різних частинах резонатора, що призводить до несподіваної поведінки. Їхні спостереження, опубліковані в Physical Review Research, потенційно можуть революціонізувати дизайн мікромеханічних резонаторів для квантових технологій і точного зондування.

«У квантових наукових експериментах розуміння наслідків цієї різниці температур дозволить вам генерувати свій механічний квантовий стан з кращою точністю та зберігати його незміненим довше, що є важливими відправними точками для квантових застосувань», — розкрив науковий співробітник JILA та перший автор Равід Шанів.

Режими вимірювачів хвилин

Завдяки своїй гнучкій конструкції мікромеханічні резонатори є стандартним інструментом у багатьох різних галузях фізики. Ці пристрої часто виготовляються з кремнію або подібних матеріалів і можуть приймати різні форми: балки, консолі, мембрани або диски. Їх невеликий розмір дозволяє їм коливатися на високих частотах, часто в діапазоні від мегагерц (МГц) до гігагерц (ГГц).
Універсальність конструкції мікромеханічного резонатора також дозволяє фізикам точно налаштовувати їх коливання. Подібно до того, як гітарна струна може вібрувати кількома способами (коли вся струна рухається вперед-назад або лише її частини коливаються, а решта залишається нерухомою), мікромеханічні резонатори можуть коливатися в різних моделях або «режимах». Найвідомішим режимом є основний режим, коли вся структура рухається в унісон. Але є також моди вищого порядку, де інші частини резонатора рухаються за більш складними схемами.

Щоб виміряти рух резонатора, фізики використовують лазерні промені. Резонатор діє як «рухоме дзеркало», і лазерне світло, яке відбивається, несе інформацію про його положення. У порівнянні зі світлом, яке відбивається від окремого фіксованого дзеркала, виникає інтерференційна картина, що показує рух резонатора з надвисокою точністю.

Протягом багатьох років спостережень за цими модами оптично та обговорення їх з іншими фізиками Шанів і Регал зрозуміли дещо цікаве. «Люди помітили, що деякі з цих режимів демонструють більше теплового руху, ніж інші», — сказав Шанів. «Як правило, люди хочуть максимально усунути цей рух, оскільки він може затьмарити будь-який незначний ефект, який вони хочуть відчути».

Фізики припустили, що цей надлишок теплового руху може бути пов’язаний з тим, що резонатор поглинає лазерне світло у вигляді тепла. Різні режими резонатора можуть мати різні моделі руху, що призводить до різних областей напруги або деформації, які, своєю чергою, можуть призвести до різних величин теплового руху.

У багатьох спостереженнях чим складніший режим резонатора, тим більше його теплова енергія відхиляється від попередніх теорій, які припускали, що температура для кожного режиму була однаковою. Шанів продовжив: «Ми хотіли відстежити причину цього та як можна досягти оптимального дизайну для цих режимів».

Створення температурних профілів

Щоб глибше зануритися в цю температурну загадку, Шанів і Регал створили спеціальні температурні профілі для кожного режиму. Для цього дослідники використовували «фононний кристал», що складається з нітриду кремнію. Кристал діяв як ігровий майданчик, де дослідники могли проектувати режими резонатора та генерувати різні температурні профілі, що дозволяло їм спостерігати індукований тепловий рух кожного режиму резонатора.

Щоб створити температурний профіль, команда нагріла точку на кристалі до дуже високих температур, утримуючи край резонатора при кімнатній температурі. Після того, як було розроблено профіль і виміряно тепловий рух, дослідники виявили кілька досить цікавих результатів. Залежно від геометрії моди, деякі моди демонстрували підвищений тепловий рух, тоді як, навіть якщо частини резонатора були надзвичайно гарячими, інші демонстрували лише помірне нагрівання, а деякі не виявляли нагрівання взагалі. «Повертаючи ручку до упору під час експерименту, ви могли побачити цю разючу різницю», — уточнив Регал.

Шанів продовжив: «Дивлячись на ці дійсно великі різниці температур між модами, ми змогли побудувати температурний профіль резонатора безпосередньо з виміряного теплового руху та навіть знайти деякі параметри матеріалу, які зазвичай непросто оцінити, наприклад, коефіцієнт випромінювання, тобто скільки випромінювання випромінює наш пристрій».
Побачивши, які режими корелюють з різними тепловими рухами, команда могла почати передбачати, як продуктивність резонаторів може змінюватися залежно від їх режиму. Як пояснив Рігал: «Наступним природним кроком буде запитати, чи можна використати ці концепції не лише для розуміння того, як підтримувати резонатори холодними для квантових досліджень, а й для термодатування».

Проектування кращих резонаторів

Завдяки отриманим знанням наукові та інженерні спільноти могли б досягти значних успіхів у розробці та застосуванні цих мініатюрних, але надзвичайно важливих пристроїв. «Ми фактично дали в нашому документі реальну цифру заслуг, з якою групи можуть працювати в цьому напрямку», – уточнив Шанів. «Наприклад, тепер у нас є певний параметр, який можна ввести як обмеження в комп’ютер і спробувати створити найкращий можливий резонатор».

Екологічна теорія та досвід говорять нам, що рослини на луках і пасовищах по всій Данії повинні розсіювати важче насіння. Але вони роблять з точністю до навпаки. Природа повільно починає змінюватися, якщо лукам і лукам дозволити рости дико без втручання людини чи випасу тварин.

Наприклад, бур’яни добре справляються з занепокоєнням корів і овець, які пасуться та топчуться на ґрунті. Однак бур’янам важче, якщо їх не турбувати, і тоді їх місце починають займати інші рослини. Зростає конкуренція за сонячне світло та хороший ґрунт. Теоретично, коли конкуренція між рослинами зростає, рослини, які розсіюють важке насіння та виробляють велике тонке листя, зазвичай мають перевагу. Але реальність не йде за теорією. Принаймні не в датській природі – і це спантеличило Крістіана Фролунда Дамгаарда, професора кафедри еконауки, який стоїть за новими результатами.

«Важке насіння дає конкурентну перевагу в середовищах, де рослини борються за ресурси. Важке насіння завантажується великою «ланчбоксом» і може деякий час виживати в тіні. Світле насіння, навпаки, гине швидше.

Тонке листя матиме конкурентну перевагу, оскільки рослини можуть замінити старе листя новим, не витрачаючи великої кількості енергії. І нове листя буде краще поглинати сонячне світло». Однак, коли Крістіан Фрейлунд Дамгаард дивиться на дані природи, вони розповідають іншу історію.

«Зі зростанням конкуренції в цих областях розмір насіння також має збільшуватися, а листя — тоншими. Але відбувається навпаки – і я просто не розумію чому», – каже він.

Вивчено 236 природних зон Данії

Хоча Крістіан Фролунд Дамгаард є біологом, він здебільшого працює зі статистикою та великими наборами даних. І саме це він зробив, коли виявив, що природа поводиться не так, як передбачають підручники. Об’єднавши дані з 8859 зразків, зібраних на 236 різних луках і пасовищах Данії, він почав бачити деякі чіткі тенденції: стало менше бур’янів, але також менше рослин з великим насінням і тонким листям.

Зменшується кількість видів бур’янів. Це може бути тому, що на цих територіях менше випасу. Але це також означає, що рослини, які розсіюють важке насіння, повинні збільшитися. Але вони не є. І рослини з тонким листям також не є, хоча це має бути природний розвиток.

«Це загадка. Тут відбувається щось, чого ми просто не розуміємо».

Дізнайтеся більше, тицяючи палицею в землю

Велика кількість даних, використаних у дослідженні, походить із повідомлень NOVANA. NOVANA — це абревіатура від датської назви Det Nationale Programme for Overvågning af VAndmiljøet og NAturenthe Nation (національна програма моніторингу водного середовища та природи). Щороку Датське агентство з охорони навколишнього середовища публікує звіт NOVANA про стан природи в Данії.

Звіт базується на більш ніж 250 000 даних, зібраних на більш ніж 35 000 станціях по всій Данії. Деякі з сайтів перевіряються 24 рази на рік, тоді як інші сайти відвідуються лише раз на п’ять років.

Дані, які Крістіан Фролунд Дамгаард використовував зі звітів, є даними охоплення, зібраними за допомогою методу pinpoint. Точковий метод полягає в тому, що дослідник штовхає палицю в рослинність і записує, скільки разів палиця торкалася різних рослин. Це повторюється в кількох точках у межах території, щоб отримати репрезентативний зразок рослин, які там ростуть.

Екосистеми дуже важко зрозуміти

Може здатися дивним, що досліднику важко пояснити, що відбувається. Але це підтверджує, наскільки насправді складна природа, пояснює Крістіан Фролунд Дамгаард.

«Є так багато речей, які ми не розуміємо про екосистеми. Вони неймовірно складні. Здається, природа змінюється досить повільно, і на це може бути багато причин».

Крістіан Фролунд Дамгаард не вважає, що існує лише одне пояснення того, чому природа змінюється і діє абсолютно протилежно тому, що передбачає теорія.

«Може бути багато різних причин. Клімат змінюється. Ми отримуємо більше опадів. Збільшується кількість екологічних ніш. На цих територіях може бути менше випасу та отримувати менше азоту, ніж раніше. Усе це сприяє зміні видового складу.

Але ми цілком можемо знайти пояснення того, чому рослини поводяться так, як вони є. Це просто вимагатиме проведення деяких маніпуляційних експериментів, щоб перевірити різні можливі пояснення поведінки природи», – підсумовує він.

Зазвичай, коли ми думаємо про Антарктику, у нас на думку спадають зображення пінгвінів, ковзаючих на льоду. Однак, нещодавні відкриття переносять нас аж на 50 мільйонів років назад, до часу коли континент був набагато теплішим, і домівкою для значно більш лякаючих сутностей: стародавніх хижих птахів. Кароліна Акоста Госпіталече та її колеги здійснили розкопки на формації Ла-Мезета, що є еоценовими відкладеннями на острові Сеймур в Антарктиді. Під час цих досліджень вони виявили несподівану знахідку.

«В антарктичних біомах ми раніше не зустрічали великих хижаків. Відомо було про денних птахів-хижаків і невеликих комахоїдних, але жодного разу не виявляли великих хижих істот», — поділилася доктор Акоста Госпіталече з Palaeontologia Electronica.

На відміну від решток дрібних ссавців, які зазвичай знаходять тут, дослідник виявив два великих кігті довжиною 8 сантиметрів, що могли належати великому нелітаючому хижаку, відомому як “страшний птах”.

Цей термін зазвичай застосовують до птахів вимерлої родини Phorusrhacidae, які вважаються швидкими хижаками. Хоча кігті з Антарктики натякають на приналежність до цієї групи, відсутність решти скелета ускладнює точну класифікацію. Вчені припускають, що ця істота могла мати висоту приблизно 2 метри та вагу близько 100 кілограмів, що робить її домінуючим хижаком свого часу.

Вважається, що ці птахи живилися переважно малими та середніми хребетними, використовуючи свої довгі кігті та гострі дзьоби для полювання, тим самим виконуючи роль вершинних хижаків на континенті. Це відкриття має велике значення для розуміння екосистеми Антарктики еоценового періоду. З новими знахідками скам’янілостей, сподіваються розкрити більше деталей про цих страшних птахів і середовище, в якому вони мешкали.

«Через значну ерозію антарктичних островів ми щороку отримуємо нові скам’янілості. Це неперервне відкриття через ерозію надає нам унікальну можливість глибше зануритися в знання про давні екосистеми Антарктики», – зазначив Акоста Госпіталече.

Отже, це дослідження відкриває новий погляд на динаміку та різноманітність життя на Антарктиді в далекому минулому, додавши важливий штрих до картини давніх континентальних екосистем. Джерело