Ще в 1948 році голландський фізик Хендрік Казимир передбачив ефект, який слідував з квантової теорії поля (згодом він був названий ефектом Казимира). Відповідно до цієї теорії, абсолютної порожнечі (вакууму) не існує. Якщо помістити дві паралельні незаряджені проводять пластини в вакуум, то при дуже малих відстанях між ними виникає тяжіння. Справа в тому, що ймовірність народження фотонів зовні пластин вище, ніж між ними. Зовнішній тиск, що створюється фотонами, перевищує тиск в зазорі, і пластини притягуються. Сила тяжіння обернено пропорційна четвертого ступеня від відстані між пластинами. У міру зменшення цієї відстані сили Казимира різко зростають.
Сила Казимира - одна з цілого сімейства сил, які фізики називають слабкими. Проте слабкі сили можуть надавати помітний вплив на різні процеси, в тому числі адгезійні (процеси прилипання), особливо в екстремальних умовах - космічний вакуум, радіація, різка зміна температур, електризація, невагомість, мікро- і нанорозмірних об'єктів. Як слабких сил можуть виступати і cіли Ван-дер-Ваальса, що мають одну фізичну природу з силами Казимира, і сили гравітації, дальнодействующіх хімічного зв'язку, оптичні адгезійні сили (сила тиску світла).
Ван-дер-ваальсово, або міжмолекулярні взаємодії, про які відомо з шкільного курсу фізики і хімії, проявляються між будь-якими молекулами. Міцність міжмолекулярних зв'язків приблизно на порядок нижче сил головних валентностей - хімічних, але саме ними обумовлено взаємодія дрібних частинок один з одним, з різними підкладками, зчеплення між шарами ряду мінералів (слюди), зчеплення частинок грунтів, запилення меблів і т.п.
За рахунок чого ж виникають подібні сили?
Розглянемо приклад використання метаматеріалів (гібридних наноструктур з металів і діелектриків), на поверхні яких знаходиться велика кількість порушених плазмонів (хмар вільних електронів). При зіткненні з поверхнею іншого матеріалу ці плазмони починають взаємодіяти з електронами другого матеріалу, і за рахунок резонансного ефекту дві поверхні зчіплюються один з одним. Цей ефект «злипання» виникає, коли метаматериал освітлюється світлом з частотою, що збігається з резонансною частотою плазмонів. Сили взаємодії залежать від частоти та інтенсивності падаючого світла і можуть перевищувати сили Казимира.
Розрахунки показують, що інтенсивності освітлення в кілька десятків нановатт на квадратний мікрометр досить ... для подолання гравітації Землі! «Включати» або «вимикати» подібну силу можна включенням або відключенням джерела світла. При цьому можливо піднімати і переміщати нанооб'єктів, маніпулювати їх оптичними властивостями.
Казимир без тертя
Що стосується сил Казимира, вони вивчені досить докладно. Показано, що на відстанях порядку 10 нм дію ефекту Казимира еквівалентно дії атмосферного тиску (101,3 кПа), а при відстанях близько 200 нм ці сили можуть стати домінуючими, що перешкоджає створенню і роботі мікро- і наноелектромеханічні систем (МЕМС, НЕМС). Вся справа в тому, що мастило починає працювати як клей, наприклад, за рахунок прояву сил тяжіння.
Подальші дослідження (закони Лівшиця-Казимира) показали, що можна добитися і відразливого дії сил і за рахунок цього різко зменшити тертя в пристроях МЕМС і НЕМС. Останнім часом група професора Лопеза (США) зуміла домогтися цього за рахунок створення областей, структурованих на нанорівні (спеціальні види шорсткості поверхні). Характерні розміри цих неузгодженостей - близько 50 нм в кожному вимірі на поверхні твердих тіл. Використання променя лазера в якості джерела світлового тиску дозволило управляти силами Казимира, боротися з небажаними ефектами злипання частин в пристроях НЕМС і МЕМС.
Американські дослідники пішли далі. Вони показали можливість створення пристроїв і механізмів молекулярного рівня на основі метаматеріалів без тертя. Це означає, що левітація на нанорівні практично досягнута. З'явилися реальні пристрої на основі роботи сил Казимира - мікрохвильові вимикачі, МЕМС-осцилятори і гіроскопи. Сили Казимира необхідно враховувати в техніці зондування, телекомунікації, зберігання інформації, контакті двовимірних плівок графена з вуглецевими нанотрубками, в процесах полімеризації на поверхні ... У всіх цих процесах слабкі сили часто виконують роль тонкої настройки загального адгезійного процесу.
Нещодавно було доведено, що ефект Казимира докладемо і для рідин. Виявилося, що сила Казимира залежить від температури, шорсткості поверхні, наявності або відсутності електростатичних зарядів, тобто можна очікувати нових його додатків.
Так, китайським вченим (група Вей Сюнбіна) вдалося захопити і рухати застрягли кров'яні клітини (тромб) всередині капілярів за допомогою оптичних пінцетів (щипців) в довільному напрямку. Основою пристрою став мікролазер в інфрачервоному діапазоні потужністю кілька сотень милливатт. Матеріали з мінливими під дією світла оптичними властивостями дають можливість використання подібних пристроїв в медичній практиці. І не тільки.
Продукція 3D-принтерів йде
нарозхват.
Фото Андрія Ваганова
Проблеми адгезії стають визначальними при отриманні (вирощуванні) молекулярних шарів на різних підкладках (папір, метали, сплави, кераміка, пластмаси), тобто в технологіях 3D-друку. Процес, відомий як адитивна виробництво (additive manufacturing), вже зробив революцію в промисловості, техніці, дизайні, медицині через його дешевизну, простоти, екологічності та безвідходності.
У Китаї методом 3D-друку виготовляють несучі елементи в літаках. NASA успішно випробувала частини ракетного двигуна, надруковані на 3D-принтері. Через шість років, пророкують фахівці NASA, стане можливим друкувати в космосі, в умовах невагомості, конструкції діаметром в десятки метрів, довжиною в сотні метрів і навіть кілометрів - обмежень немає! - за допомогою павукоподібних роботів-збирачів.
Так як в основі методу 3D-друку лежить процес пошарового формування всіляких структур, то якість виробів і їх довговічність будуть визначатися міцністю зв'язування між однаковими (когезия) і різними за своєю природою шарами матеріалів (адгезія). Тобто процес 3D-друку, по суті, є адгезионно-когезійним.
Часто в технології використовується струменевий друк, виконувана блоком головок, одна з яких містить швидко твердне полімер, смолу або адгезив, що забезпечує надійне пошарове склеювання-зчеплення частинок порошків, дротів, стрічок. Цей процес лежить в основі створення-вирощування твердого об'єкта.
3D-друк - це вже шостий технологічний уклад з елементами сьомого. Але, як це не парадоксально, цей процес давно реалізований в природі. Згадаймо обростання корпусів суден всілякими мікроорганізмами (балянусів, наприклад). І обростання це пошарове. Спочатку адгезія «працює» на кордоні розділу «корпус судна - мікроорганізми», потім на ці шари мікроорганізмів нарощуються нові за допомогою природних клеїв, що виділяються самими ж мікроорганізмами. Товщина такої «броні» може досягати десятків сантиметрів.
Чому вчить біоніка
Уже в 80-х роках минулого століття обговорювалося підводне будівництво в шельфовій зоні. При цьому нестандартність завдання привела до необхідності вивчати взаємодію будівельних матеріалів з навколишнім водним середовищем і її мешканцями. Були проведені роботи по формуванню та виготовлення польових лабораторій і базових будівель на Чорноморському узбережжі Криму.
Вони представляли собою зібрані з металевих сіток півсфери діаметром 3-5 м з прорізами для вікон і дверей. Ці заготовки передбачалося опустити на дно моря і всю подальшу роботу перекласти на морські мікроорганізми (живі принтери), які зібрали б (виростили) ці вироби за рахунок процесів пошарового обростання металевого каркаса товстим шаром «панцира» з баланусов. А далі готові корпусу передбачалося витягувати на сушу, склити прорізи вікон, навішувати двері ...
А космос надає для вирощування конструкцій прекрасні умови. Так, процеси полімеризації (затвердіння) краще протікають при впливі радіації, підвищених температурах. У космічному просторі всі ці фактори в наявності. Світловий тиск також дармове, статичної електризації предостатньо. Вакуум теж грає позитивну роль, бо адгезійна міцність в вакуумі зростає, а ювенільні (свіжоутвореними) поверхні зчіплюються і без клею при стисненні.
Можна скріплювати частини виробів за допомогою електроадгезіонного способу зчеплення, також не потребує клею. Або здійснювати диффузионную зварювання, благо вакуум дармової, як і температури. І сили Казимира завжди на допомогу, поряд з оптичними адгезійними. Зовсім недавно виявлена нова слабка сила тяжіння, вироблена випромінюванням абсолютно чорного тіла, по порядку близька до сил Казимира.
У зв'язку зі сказаним виготовлення пістолетів і подібних виробів методом 3D-друку - це іграшки. Попереду вирощування органів людини, міжхребцевих дисків, нарощування кісток при травмах. Починка космічних кораблів, ремонт на МКС стануть буденною роботою. У продаж вже надійшли нанотрубочного олівці з грифелем з спресованих вуглецевих нанотрубок, що дозволяють малювати датчики та інші вироби, 3D-ручка (3Doodler), що дозволяє малювати пластиком найрізноманітніші тривимірні фігури. А інститут колоїдів суспільства Макса Планка (Німеччина) представив новий варіант «паперової» електроніки зі складними електропровідними структурами, в тому числі і тривимірними. Тобто локомотив 3D-друку вже не зупинити.