Ультрафиолетовое излучение сделало лед жидким
Если сильно охладить лед и облучать его ультрафиолетом, он будет вести себя как очень вязкая жидкость. К такому выводу пришла группа ученых из Японии, исследовавшая две формы льда: обычный водяной и аналог межзвездного аморфного льда, состоящий из смеси воды, метанола и аммиака. Статья исследователей опубликована в журнале Science Advances.
Ультрафиолетовое облучение аморфного льда (преимущественно водяного) в молекулярных облаках или во внешней холодной части протопланетных дисков может играть ключевую роль в синтезе сложных органических веществ. Например, недавние эксперименты показали, что рибоза и связанные с ней сахара могут быть синтезированы при ультрафиолетовом облучении аналога такого льда, состоящего из воды, метанола и аммиака. В новой работе авторы провели несколько экспериментов по низкотемпературному фотолизу на аналоге межзвездного аморфного льда.
Сначала ученые провели серию экспериментов, в которых они осаждали смесь из воды, метанола и аммиака в различных соотношениях (от 10 до 2:1:1) на медный субстрат с золотым покрытием. Температура поддерживалась равной примерно десяти кельвин, образец непрерывно облучался ультрафиолетовыми лучами, полученными с помощью аппарата низкотемпературного фотолиза PICACHU (аббревиатура расшифровывается как «Photochemistry in Interstellar Cloud for Astro-Chronicle in Hokkaido University»). Осаждение, облучение и охлаждение прекращалось, как только толщина полученного аморфного льда достигала нескольких микрометров. Затем экспериментаторы наблюдали в оптический микроскоп за нагреванием образца. Для сравнения были проведены эксперименты, в которых предварительного облучения ультрафиолетом не было.
Полученный учеными лед изначально имел гладкую поверхность, которая начала трескаться при температуре около 60 кельвинов. При дальнейшем нагревании (начиная с температуры 65 кельвинов) образец начал кипеть и пузыриться. Образование пузырьков, состоящих большей частью из водорода, продолжалось до температуры 150 кельвинов, когда лед снова кристаллизовался. При температуре около 180 кельвинов лед сублимировал, оставив органический материал со следами пузырьков. По словам авторов статьи, наблюдаемые процессы свидетельствуют о том, что облученный ультрафиолетом лед представлял собой вязкую жидкость. Вязкость этой жидкости ученые оценили по скорости роста пузырьков, рассчитанное значение составляет около 4000 пуаз при температуре 90 кельвинов. Интересно, что образование пузырьков и органики не наблюдалось в образцах, которые не облучались ультрафиолетом в процессе осаждения.
Также физики исследовали обычный водяной лед, который они облучали ультрафиолетом в течение долгого промежутка времени (от десяти минут до часа) при температуре около 10 кельвинов. В полученных таким путем образцах при температурах от 50 до 140 кельвинов ученые наблюдали формирование островков аморфной жидкой фазы льда, которые постоянно меняли форму и расползались по всему объему материала. При отсутствии предварительного облучения эффект не наблюдался, как и в случае ледяной смеси.
Поток фотонов в эксперименте ученых составил около 1014 фотонов в секунду на сантиметр квадратный, что намного больше, чем поток через плотные молекулярные облака (~104), больше, чем текущий солнечный поток (~108) и сравним с потоком во внешнем слое протопланетных дисков в звездных кластерах (~1015). Таким образом, если в данном процессе решающую роль играет доза поглощенного излучения, в молекулярных облаках формирование жидкой фазы льда и органических соединений должно происходить в течение сотен тысяч лет, в то время как в протопланетных дисках оно может занять считанные дни.
Статья ученых позволяет лучше понять механизм образования органики в протопланетных дисках и молекулярных облаках и, в конечном счете, процесс зарождения жизни на Земле, поскольку последний может быть во многом обязан существованию такой межпланетной органики.
Дмитрий Трунин
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.