Конспект
Минус девяносто градусов Цельсия — абсолютный рекорд холода на Земле, зафиксированный в 1983 году на антарктической станции «Восток». Казалось бы, куда уж ниже? Но физики давно научились забираться гораздо глубже по температурной шкале — вплоть до минус 196 и даже минус 270 градусов. И там, в этих запредельных холодах, привычные вещи начинают вести себя совершенно безумным образом: свинец звенит как серебро, сталь крошится как печенье, бананом можно забивать гвозди, а керамика превращается в идеальный проводник тока. Добро пожаловать в мир криогеники.
Жидкий азот: газ, которым мы дышим, в непривычной роли
Семьдесят восемь процентов каждого вашего вдоха — это азот. Он просто наполнитель атмосферы: не поддерживает горение, практически ни с чем не реагирует, ведёт себя как идеальный статист. Зажжённая спичка, опущенная в жидкий азот, мгновенно гаснет. Но инертность азота можно продемонстрировать куда эффектнее. Возьмите лампочку накаливания, аккуратно разбейте стеклянную колбу, сохранив вольфрамовую нить, и включите её на открытом воздухе — спираль раскалится до четырёх тысяч градусов и за секунды сгорит, окислившись в лёгкий дымок оксида вольфрама. А теперь повторите тот же трюк, погрузив нить в жидкий азот: она горит ровно и спокойно, азот кипит вокруг неё, но окисления не происходит. Инертная среда защищает раскалённый металл. Стоит вытянуть спираль из ковшика — мгновенная вспышка, и электричество «кончилось».
Получают жидкий азот элегантным физическим трюком, основанным на законе Бойля-Мариотта: сжатый газ нагревается, а при резком расширении — охлаждается. Воздух сначала осушают, очищают от углекислого газа, затем прогоняют через цеолитовую керамику, где молекулы кислорода — чуть крупнее азотных — застревают в порах, а чистый азот проходит дальше. Полученный газ закачивают в баллоны под давлением, он нагревается, потом остывает, и при повторном расширении через специальную аппаратуру охлаждается настолько, что превращается в жидкость с температурой минус 196 градусов. При этом объём уменьшается примерно в семьсот раз. Полулитровая порция жидкого азота, испарившись, заполнит газом целую комнату. Если налить его в бутылку, надеть сверху шарик и опустить бутылку в тёплую воду — шарик не просто надуется, а лопнет с оглушительным хлопком. Именно поэтому жидкий азот хранят в сосудах Дьюара — по сути, гигантских термосах с двойными стенками и пониженным давлением между ними.
Эффект Лейденфроста, или почему жидкий азот не обжигает руку
В фильмах вроде «Терминатора» жидкий азот выглядит смертельно опасным: облил человека — и он рассыпался на куски. В реальности можно спокойно налить азот себе на ладонь, и ничего не произойдёт. Секрет — в эффекте Лейденфроста, том самом явлении, которое заставляет каплю воды плясать на раскалённой сковороде вместо того, чтобы мгновенно испариться. Для азота при минус 196 градусах человеческая рука — это и есть раскалённая сковорода: разница температур превышает двести градусов. Капли азота не смачивают кожу, а скользят на тончайшей газовой подушке и стекают, не причиняя никакого вреда.
Этот же эффект объясняет, почему азот не так эффективен в охлаждении, как можно было бы ожидать. При испарении он забирает в десять раз меньше энергии, чем вода. Поэтому заморозить банан в жидком азоте — дело не секунд, а добрых пяти минут. Зато кузнецы используют это свойство с выгодой: если раскалённый металл бросить в воду, он остынет слишком резко и покроется дефектами, а жидкий азот охлаждает постепенно, снимая внутренние напряжения и делая сталь прочнее.
Свинцовый колокольчик и стальное стекло: метаморфозы материалов
При комнатной температуре свинец — мягкий, тусклый металл. Если скрутить из него колокольчик и попробовать позвонить, услышите только глухой стук. Но стоит погрузить его в жидкий азот, дождаться, пока кипение прекратится (это верный признак того, что металл остыл до минус 196 градусов), и достать — свинец зазвенит, как серебряный. Он стал твёрдым и упругим.
Со сталью происходит обратная, куда более драматичная трансформация. Пила-ножовка при комнатной температуре гнётся, пружинит. После купания в жидком азоте она становится хрупкой, как стекло, — разлетается от лёгкого нажатия. Это серьёзная инженерная проблема: в Сибири, в Антарктиде, а тем более в космосе, где температура опускается до минус 270 градусов, обычная сталь превращается в ненадёжный материал. Поэтому в неё вводят никель, хром и другие добавки, создавая сплавы, устойчивые к экстремальному холоду.
Пластики ведут себя ещё хуже. Силиконовая трубка после охлаждения ломается пальцами, как сухая ветка. Старая резина трескается сама, без прикосновений, — буквально на глазах разваливается на куски. Виниловая трубка превращается в подобие стекла. Запускать всё это в космос нельзя. Единственный пластик, который практически не меняет свойств при криогенных температурах, — фторопласт. А спутники дополнительно оборачивают каптоном с тонким слоем алюминия, чтобы создать термоизоляцию по принципу термоса — благо в космосе и так вакуум.
Банан, проведший пять минут в жидком азоте, становится каменным. Им действительно можно забить гвоздь — правда, он при этом крошится, но гвоздь входит в дерево. А потом замороженный банан растрескивается в руках, как фарфоровая чашка. Впрочем, после разморозки он вполне съедобен и даже приобретает более нежную текстуру. Студенческий лайфхак: нарезать, охладить в азоте, полить сгущёнкой.
Сверхпроводимость: ток, который не кончается
Охлаждённый медный брусок демонстрирует красивый фокус: если бросить на него мощный неодимовый магнит, тот не падает, а словно зависает на невидимой подушке, медленно-медленно опускаясь. При комнатной температуре эффект тоже есть — движущийся магнит наводит в меди вихревые токи, которые создают встречное магнитное поле, — но после охлаждения до минус 196 градусов электрическое сопротивление меди падает в несколько раз, токи затухают гораздо медленнее, и торможение становится впечатляющим.
Но настоящее чудо — это когда сопротивление падает не «в несколько раз», а до нуля. Абсолютного нуля. Впервые сверхпроводимость обнаружили в 1911 году, охладив олово жидким гелием. Жидкий гелий — штука капризная и дорогая: около 80–100 евро за литр, плотность всего 200 граммов на литр (у азота — 600–700), теплоёмкость мизерная. Положишь в него хлеб — и гелий мгновенно выкипит. Поэтому в 1960–80-х годах учёные начали искать материалы, которые становятся сверхпроводящими не при температуре жидкого гелия, а при температуре жидкого азота — в десять раз более дешёвого и удобного в обращении.
Так появились высокотемпературные сверхпроводники. Один из них — керамика YBCO, смесь оксидов иттрия, бария и меди. При комнатной температуре это обычная чёрная керамика: ток не проводит, на магнит не реагирует. Но стоит охладить её жидким азотом и поднести магнит — в керамике возникает ток, который, благодаря нулевому сопротивлению, не затухает. Магнитное поле «вмораживается» в сверхпроводник, и магнит повисает в воздухе. Его можно раскрутить, и он будет вращаться, теряя энергию только на сопротивление воздуха. В аккуратно сделанном подшипнике такое вращение может длиться практически вечно. Причём левитирует не только магнит над сверхпроводником, но и сверхпроводник под магнитом — ведь он тоже стал носителем незатухающего магнитного поля.
Поезда-пули и провода будущего
Низкотемпературные сверхпроводники — сплавы титана и ниобия, работающие при температуре жидкого гелия — уже используются в МРТ-сканерах и поездах на магнитной подушке. В Японии на тестовом стенде маглева составы разгоняются до шестисот километров в час — «пролетают как пуля, аж страшно». Но гелиевое охлаждение остаётся дорогим и сложным.
Поэтому инженеры разрабатывают высокотемпературные сверхпроводящие провода — ленты из меди, между пластинами которых нанесён тонкий слой той самой YBCO-керамики. При охлаждении до температуры жидкого азота через такую ленту можно пропустить ток в 800–900 ампер без каких-либо последствий. Обычная медная лента того же сечения выдержит максимум двести. Кусочек сверхпроводящей керамики размером с ладонь стоит около трёхсот евро — но это цена новой технологии. Со временем она неизбежно подешевеет, и тогда сверхпроводящие магниты на жидком азоте смогут заменить гелиевые в транспорте, энергетике и медицине.
Квантовый сюрприз: светодиод меняет цвет
Криогенные температуры способны менять не только механические и магнитные, но и квантовые свойства материалов. Обычный красный светодиод, подключённый к трёхвольтовой батарейке, при погружении в жидкий азот начинает светить оранжевым, а потом и вовсе почти гаснет. Внутри светодиода — полупроводник (как правило, нитрид галлия или кремний с примесями) с так называемым p-n-переходом, на котором электроны перескакивают через запрещённую зону, излучая фотоны. При охлаждении ширина этой зоны уменьшается, длина волны излучения сдвигается — и красный свет становится оранжевым. Простой эксперимент, за которым стоит вся квантовая физика твёрдого тела.
Мороженое минус двести: дипломная работа со вкусом
Жидкий азот — не только инструмент физиков, но и секретное оружие кулинаров. Рецепт прост: жирные сливки, молоко, сгущёнка, капля ванильного экстракта — и тонкая струйка жидкого азота при непрерывном помешивании. Смесь охлаждается так быстро, что кристаллы льда не успевают вырасти — получается невероятно нежная, бархатистая текстура, которой невозможно добиться в обычной морозилке. В магазинном мороженом для стабилизации используют воздух — по сути, это взбитая пена из сливок, — а здесь работает чистая физика фазового перехода.
Идеальная температура подачи мороженого — минус пять градусов, так что после азотной заморозки стоит дать ему чуть «отойти». В Лос-Анджелесе существуют целые кафе, где мороженое готовят жидким азотом прямо при вас. А если у вас под рукой остались сгущёнка и молоко без сливок — получится низкокалорийная версия, чуть менее сладкая, но по отзывам дегустаторов — даже вкуснее оригинала.
