Фокусы современных ученых еще несколько веков назад сочли бы шаманством, обманом или колдовством. Но в основе волшебства – физические и химические законы, опираясь на которые почти сто лет назад исследователи предсказали появление нового материала.

Необычный громкоговоритель

В 2008 году китайские ученые под руководством Кайли Цзяна (Kaili Jiang) в журнале Nano Letters опубликовали статью «Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers». Они описали и продемонстрировали термоакустическую пленку, изготовленную на основе наноуглеродных трубок. Непримечательная прозрачная пластинка толщиной с человеческий волос под микроскопом похожа на густой лес. Параллельно друг другу на кремниевой «земле» растут углеродные «деревья». «Лес» работает как мощнейший громкоговоритель. Причем пленку не нужно натягивать на каркас динамика и можно изгибать.

Секрет мощного динамика состоит в том, что передача звукового сигнала происходит не за счет вибрации пленки, а по принципиально иному механизму. Громкоговоритель из нановолокон звучит благодаря термоакустическомму эффекту, который возникает из-за колебаний температуры. Заправляет всем процессом электрический ток: каждый импульс подогревает нанотрубочку, и она передает тепло в окружающую среду. Нагретый воздух и создает звуковую волну.

Пророчество

Описанный эффект впервые предсказали Арнольд (Arnold H. D) и Крэндалл (Crandall I. B.) в 1917 году. Они описали совершенно четкие и корректные физические параметры, которыми должен обладать термоакустический материал, и вывели формулу звукового давления. Но в то время ученые подходящего вещества не нашли. Да и не могли, ведь наноуглеродные «леса» на кремниевой «земле» начали расти недавно.

Кручу как хочу

Для работы высокотехнологичного динамика нужны лишь электроды. Соответственно, и динамики можно использовать так, как заблагорассудится: положить на стол, повесить на потолок или обернуть им ноутбук. Можно создать поющие шторы, пеленки и флажки. Впрочем, такие «выкрутасы» пригодны не только для развлечений, но и для вполне целевого использования. Например, для равномерного звучания музыки совсем не обязательно расставлять колонки по периметру зала. Достаточно повесить одну термоакустическую сферу в центре (вместо люстры например).

Ученые из Техасского университета в Далласе (University of Texas at Dallas) придумали, как использовать термоакустик Цзяна для государственной безопасности. По словам исследователей, если в такой материал «запеленать» субмарину, то она станет невидимой для вражеских радаров.

Подводный «Элдридж»

Физики уверены, что с помощью термоакустика можно одновременно измерять глубину и маскировать субмарину. Для воплощения в жизнь несколько фантастичного проекта ученым предстояло выяснить, насколько быстро можно нагреть и охладить термоакустик и способен ли материал выдерживать экстремальную температуру без потери свойств. Более того, звуковая волна в плотной среде распространяется несколько иначе, да и нанотрубки могут слипнуться. Все это — препятствия на пути проекта, который чем-то напоминает филадельфийский эксперимент.

Али Алиев (Ali E. Aliev) и его коллеги испытали многослойную и однослойную термоакустическую пленку в чистой воде и в растворах спирта. Исследователи пытались понять, какие условия необходимо соблюсти, чтобы термодинамик работал и в плотной жидкой среде.

Экспериментаторы обнаружили, что за счет гидрофобных свойств углерода каждая нанотрубочка оказывается упакованной в свой личный воздушный «мешочек». Благодаря такому механизму нанотрубочки не слипались. Причем он оказался даже более эффективен, чем добавление в воду спирта, который тоже должен был предотвратить намокание и слипание «щетинок». Более того, воздушные пузырьки оказались достаточно устойчивыми в широком диапазоне температур.

Правда, Али Алиев и его коллеги выяснили, что многослойные акустические системы медленнее превращают термическую энергию в звуковую волну. Но и эту проблему можно решить, если увеличить просвет между отдельными акустическими пластинками. Они звучат в широком диапазоне — от 1 до 10⁵ Гц, но не все частоты нужны подводникам. Наиболее приятный результат ученые получили, обработав термоакустик аргоном. Таким способом они настроили наноуглеродый динамик на нужную низкую частоту.

«С помощью низкочастотных акустических излучений можно сканировать океан и прятать корабль от вражеских радаров», — говорит Али Алиев.

В эксперименте ученые смогли настроить динамик не на излучение, а на поглощение звуковых волн. Это означает, что спрятаться можно практически от любого радара, вне зависимости от того, по шуму или по тишине происходит поиск корабля.

Результаты эксперимента появились в статье «Underwater Sound Generation Using Carbon Nanotube Projectors», опубликованной в Nano Letters.

текст: Алла Солодова