Юный техник, 2015 № 11

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ Белее белого, чернее черного

Начавшееся глобальное потепление, кроме всего прочего, заставляет физиков искать и новые возможности отражения тепла, чтобы не допускать перегрева различных механизмов, жилых домов, а также самих людей. Что надеть, если на улице жара перевала за 40 градусов в тени, а на солнце и вообще выйти страшно?..

За помощью в ответах на подобные вопросы ученые в очередной раз обратились к матушке-природе. Ведь представители флоры и фауны, обитающие в тропиках, кондиционеров не имеют, но тем не менее как-то от жары спасаются.

Недавно в поле зрения исследователей попали серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus, которые обитают в жарких африканских пустынях. Они вполне оправдывают свое название: при солнечном свете их тела и в самом деле отливают серебристым блеском. Энтомологи и физики стали разбираться, с чем это связано. И вот что им удалось выяснить.

Серебряные муравьи-бегунки остаются активными при исключительно высоких температурах — до плюс 58 °C, когда все население пустыни прячется в норы и иные укрытия. Что же помогло этим муравьям стать рекордсменами теплостойкости?

Муравей густо покрыт отливающими на свету волосками.

На снимках показано: А — серебряный бегунок, спасающийся от жара земли, забравшись повыше на сухое растение; В — голова муравья, покрытая волосками; С — волоски, налегающие друг на друга; D — видны треугольные сечения волосков и скульптурная поверхность верхних граней; Е — верхняя и нижняя грани волосков: верхняя с рельефом, а нижняя гладкая.

Оказалось, что длинные ноги поддерживают их тело чуть выше от горячей поверхности песка, чем конечности других насекомых. Известно также, что эффективный теплообмен обеспечивают щелевидные дыхальца. Помогает выжить на жаре и особый способ передвижения — «мелкими перебежками». Пробежав немного по земле, муравей забирается на камень или на сухую травинку и сбрасывает избыток тепла. Затем бежит дальше. В таких «охлаждающих» паузах муравей проводит иной раз около 70 % всего времени своей «прогулки».

Но главное, как выяснили специалисты из Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской лаборатории, а также их коллеги из Вашингтонского, Колумбийского и Цюрихского университетов, заключается вот в чем. Справляться с высокой температурой муравьям помогает необычный густой волосяной покров. Все их тело сверху и с боков закрыто слоем волосков.

Под микроскопом выяснилось, что эти волоски имеют в сечении треугольную форму, постепенно сужаются к концам и направлены строго параллельно друг другу. На двух верхних гранях призмы есть продольные бороздки или морщинки, а нижняя грань гладкая.

Такой волосяной покров, во-первых, отражает свет в видимом и в коротковолновом инфракрасном (то есть тепловом) диапазоне. Бороздки на гранях усиливают рассеивающий эффект. Во-вторых, в средневолновом инфракрасном диапазоне призматические волоски усиливают тепловое излучение муравьиного тела.

Чтобы понять физику этого явления, надо нарисовать, как грани призмы отражают световые (электромагнитные) лучи. Наилучшим образом призматический волосок будет отражать свет, падающий под углом 30°, хуже всего — под углом 90°. При увеличении длины волны падающего луча, согласно закону излучения Кирхгофа, поглощение света будет уменьшаться, зато излучение усилится.

Эти догадки о работе призматических волосков ученые проверили экспериментально. Они сравнили световое рассеяние и температуру муравья с волосками и без волосков. Для этого им пришлось «обрить» нескольких подопытных муравьев. Интересно, что в роли парикмахеров они обошлись без бритвы. Оказалось, достаточно провести по волоскам вольфрамовой иглой, как те прилипают к ней за счет электростатического заряда, отделяясь от муравьиного тела.

Далее подтвердилось, что рассеяние света видимого и коротковолнового инфракрасного диапазонов на 25 % сильнее у муравьев с волосками, чем у безволосых. Но еще интереснее, что удалось показать и увеличение теплоотдачи в средневолновом инфракрасном диапазоне. Подсчитано, что теплоэмиссия волосатой поверхности примерно на 15 % выше, чем безволосой. В результате время, которое нужно тратить на «охлаждающий» отдых, уменьшается.

Заодно выяснилось, почему у бегунков спинка волосатая, а брюшко голое. Брюшко не отражает свет, падающий сверху, зато оно может наиболее эффективно отражать тепло в окружающую среду при условии усиленного подогрева снизу, от раскаленного песка.

К сказанному остается добавить, что и мех белых медведей, обитающих, как известно, в холодной Арктике, тоже состоит из волосков особой конструкции. Они полые, наполнены воздухом. Такое строение не только обуславливает белый цвет, маскирующий медведя на фоне белого же снега, но и обеспечивает отличную теплозащиту. Ведь воздух очень плохой проводник тепла.

Возвращаясь к муравьям, отметим, что данные исследования позволили ученым выдвинуть предположение, что волокна с такими свойствами, как у волосков серебряных бегунков, могут быть использованы для разработки теплоизолирующих и самоохлаждающихся материалов различного назначения. Например, для покрытия космических скафандров, в которых совершаются выходы в открытый космос, или для костюмов пожарных, иногда вынужденных лезть в самое пекло. Физики также советуют красить крыши домов в южных районах белой или серебристой краской. Ну, а модельеры полагают, что скоро серебристые ткани и костюмы станут самыми модными в летние сезоны.

Так выглядит поверхность материала Vantablack по соседству с алюминиевой фольгой.

Из уроков физики вам, наверное, известно, что модель так называемого абсолютно черного тела представляет собой полую сферу, вымазанную изнутри сажей или выложенную черным бархатом. В сфере есть небольшое отверстие, через которое внутрь попадает свет. А затем световые лучи теряются, многократно отражаясь и поглощаясь внутренним покрытием.

Команда ученых из Великобритании создала материал Vantablack, поглощающий 99,96 % света. По словам руководителя исследования Бена Дженсона, материал составлен из совокупности углеродных нанотрубок. Такое явление можно уверенно сравнить с человеческим волосом, рассеченным на 8-10 тыс. слоев — один такой слой представляет собой размеры углеродной нанотрубки.

«Говоря попросту, такое покрытие можно представить в виде заросшего травой поля, где частицы света мечутся между травинками. Эти своеобразные «травинки» максимально поглощают световые частицы, отражая лишь малую долю света. Чернее их может быть только «черная дыра», — сказал ученый журналистам.

Технологию создания такого рода трубок нельзя назвать новаторской, однако Бену Дженсону и его соратникам только сейчас удалось найти достойные способы ее применения. Ими был изобретен способ соединения углеродных нанотрубок с материалами, используемыми в современных телескопах и спутниках.

«Присутствие рассеянного света внутри телескопа ухудшает изображение, — поясняет Б. Дженсон. — Используя новые материалы для покрытия внутренних перегородок телескопа, мы значительно улучшим изображение».

Новой разновидностью материала также заинтересовались военные. Они полагают, что новое покрытие может быть применено в «стеллс-технологиях», призванных снижать заметность самолетов и иной военной техники для радаров.

С. НИКОЛАЕВ