Учёный Евгений Гордон из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке поведал об уникальном способе производства сверхчистых и сверхтонких нанопроводов в жидком гелии, разработанном в его лаборатории.

Гелий — один из самых необычных элементов в природе. Характерной чертой этого вещества является фактическая невозможность его превращения в твердую материю без приложения давления. В жидком агрегатном состоянии он образует две формы с совершенно разными свойствами – «обычный» жидкий гелий, который используют для охлаждения спутников в космосе, и сверхтекучий гелий-II.

Гелий-II, по словам Гордона, представляет собой не обычную материю, а экзотическую квантовую жидкость – субстанцию, свойства которой определяются квантовыми эффектами, а не классическими законами физики, описывающими поведение жидкости.

Для примера,  гелий-II невозможно «вскипятить», вещество почти невозможно взболтать, показатели его теплопроводности рекордно высок и при нахождении внутри сосуда он начнет подниматься по его стенкам из-за того, что данная форма гелия движется по любой поверхности без трения. Помимо прочего, гелий-II и его аналоги, присутствующие в ядрах нейтронных звезд, являются сверхпроводниками.

Евгений с коллегами по институту многие годы посвятили изучению физических свойств этой формы гелия, пытаясь выяснить, каким образом они возникают и почему иногда предсказания теории, касающиеся движения гелия и его теплопроводности, не соответствуют результатам экспериментов с реальным материалом.
Одним из феноменов, интересующих учёных, является вопрос, почему жидкий гелий, вопреки теории, не всегда остается на месте во время вращения сосуда.

На сегодняшний день ученые полагают, что причина этого явления заключается в том, что внутри сверхжидкого гелия возникают своеобразные квантовые вихри, заставляющие атомы гелия двигаться при вращении сосуда.

Толщина «ножки» этих вихрей, согласно расчётам, не должна превышать диаметр атома, и это утверждение давно является предметом жесточайших споров среди ученых. Пытаясь понять, как они устроены, российские ученые совершили неожиданное открытие.

«Изучая эти вихри, мы случайно открыли способ изготовления сверхчистых и длинных нанопроводов из фактически любого материала, в котором всю работу за нас исполняет природа. Когда мы поместили в каплю жидкого гелия фрагмент металла и нагрели его при помощи лазера, мы обнаружили, что в этих вихрях начали формироваться нанонити из этого металла толщиной в несколько нанометров», — рассказывает Гордон.

Данное явление стало для учёных абсолютной неожиданностью. Расчёты показывали, что такой процесс должен был вести к формированию фрактальных наночастиц, но не одномерных и сверхтонких нитей. Тем не менее, результаты опытов показали обратное – при долгой работе лазера нанонитей в ванне с гелием стало так много, что их можно было наблюдать невооруженным глазом.

В ходе дальнейших опытов, российские физики получили 30 типов нанопроводов из разных типов металлов, что является мировым рекордом. По мнению Евгения Гордона, его лаборатория  может легко стать лидером в производстве нанопроводов и изучении их свойств.

Диаметр этих нанонитей и их длина, как объясняет физик, будут определяться двумя вещами – размерами атомов, из которых они сложены и свойствами этих «квантовых воронок», внутри которых они образуются. Воронки будут играть роль своеобразного «катализатора» реакции, способствуя формированию нанопроводов.

Эти нити возникают благодаря крайне необычному свойству сверхжидкого гелия, о котором никто раньше не подозревал до опытов ученых из Черноголовки. Оказалось,  что при нагреве достаточно крупных частиц металла «супер-гелий» превращается из самого теплопроводного вещества в почти идеальный изолятор, не пропускающий тепло наружу.

Воспользовавшись вышеописанным свойством, команде Гордона удалось создать нанопровода из 30 разных видов металлов, в том числе вольфрама, самого тугоплавкого элемента Вселенной, который нагревается внутри жидкого гелия до температуры примерно в 6700 градусов Кельвина фактически мгновенно, если осветить его лазером.

Изначально открытие российских учёных вызвало ожидаемы скепсис — никто не верил, что тугоплавкие металлы будут плавиться внутри столь холодной среды и при этом не разрушать ее. Только когда российские физики представили очень точные замеры температуры внутри капли «супер-гелия», полученные при помощи «световых» термометров и показали, что метал действительно расширяется, как при их плавке, другие ученые убедились в том, что методика Гордона действительно работает.

По мнению Гордона, подобным способом в перспективе можно будет использовать и полимерные материалы. К тому же, в ходе испытаний взаимодействия полимеров с особым гелием, могут быть выявлены новые свойства, о которых на текущий момент никто не подозревает.

При должном внимании и государственной поддержке, открытие российских физиков способно произвести настоящую революцию в технологической сфере.