Тема 2. Понимание материи

Тема 2 Понимание материи посвящена зависимости между атомарным строением материала и его свойствами. В последние десятилетия компьютерное моделирование стало более доступным за счет повышения вычислительной мощности. С помощью этой технологии возможно моделирование многих теорий.

Сверхпроводники

МУ: Нетрадиционные сверхпроводники

Сверхпроводниками называются материалы, электрическое сопротивление которых при охлаждении ниже определенной специфичной для данного материала, так называемой критической температуры, падает до нуля. Это означает, что при переходе в сверхпроводящее состояние эти материалы проводят электрический ток без потерь. Этот феномен был обнаружен при сверхнизких температурах (близких к абсолютному нулю (-273,15° С)) еще в начале 20-го века. Профессор Института физики твердого тела им. Макса Планка Бернхард Каймер занимается исследованием так называемых высокотемпературных сверхпроводников, имеющих значительно более высокую температуру сверхпроводящего перехода (рекорд в настоящее время составляет 140°С). Это позволяет использовать для охлаждения этих материалов азот, производство которого является простым и малозатратным. Одной из важных областей применения высокотемпературных сверхпроводников является их использование для создания сильного магнитного поля с помощью электромагнитных катушек. Такое применение имеет место в рамках глобальных исследовательских комплексов, таких как DESY (Немецкий синхротрон электронов в Гамбурге) или Центр CERN, а также в устройствах прикладного назначения, например, магнитно-резонансных томографах (МРТ). Уже существуют первые проекты, предусматривающие использование этих высокотемпературных проводников в качестве токопроводящих кабелей вместо проводов высокого напряжения или во избежание монтажа новых. Так в Эссене планируется проложить сверхпроводниковый кабель длиной 1 км. Через такой кабель можно пропустить в пять раз больше электроэнергии, чем через медный кабель того же сечения. Еще одной возможной областью применения является использование в составе дороги на магнитной подвеске на базе сверхпроводящих магнитных подшипников.

Дополнительный материал:

• Интервью проф. Каймера

• Экспонат Сверхпроводники

Биоматериалы. Биомиметика

(МУ: Учимся у природы)

Природа не устает поражать нас своей «разумностью» и эффективностью, создавая из зачастую очень скромного набора исходных материалов вещества с невероятными свойствами. При этом используемые «методы производства» отличаются максимальной энергоэффективностью и экологичностью. В качестве примера можно назвать стеклянную губку. Несмотря на то, что отдельные стеклянные волокна являются очень тонкими и гибкими, вместе они образуют исключительно прочную структуру, выдерживающую давление на морской глубине. Существует вид креветок, особи которого, еще будучи личинками, попарно селятся в полостях стеклянных губок. После того, как креветки подрастают, они уже не в состоянии выбраться через узкие поры, сломать изящную стеклянную конструкцию клешнями им тоже не удается. Всю свою жизнь креветки проводят в этой губке, поэтому в Японии она, среди прочего, носит название "Темница брака" и является традиционным свадебным подарком. Ученых интересует, каким образом строение стеклянной губки обеспечивает такую невероятную прочность структуры. С этой целью, например, с помощью трехмерного принтера была смоделирована внутренняя структура губки, а затем проведены различные механические испытания.

Дополнительный материал:

• Фильм Петера Фратцля «Естествознатель»

• QR-код: испытания смоделированных структур

• (В модуле Жизнь стеклянная губка выставлена в качестве экспоната)

Список тем для обсуждения графических схем:

2.7.1 Нетрадиционные сверхпроводники

2.7.2 Упрощающий инструмент VOTCA

2.7.3 Учимся у природы