Нанонауки

Однажды в 1764 году профессор физики Университета Глазго Джон Андерсон решил показать студентам, как работает «огненный насос» или «атмосферная машина» — так в Англии именовались механизмы, выкачивавшие воду из угольных шахт. Машины эти были слишком громоздкими и тяжелыми и занимали слишком много места, чтобы поместиться в университетской аудитории. Поэтому построили уменьшенный вариант в метр высотой. Но профессора ждало неприятное разочарование: миниатюрная машина отказывалась работать! Пришлось везти ее в мастерскую, где чинили научные приборы, — ту самую, в которой работал Джеймс Уатт. Тот быстро понял, в чем дело: уменьшение объема рабочей камеры привело к тому, что атмосферного давления стало не хватать для преодоления трения поршня о стенки камеры. И тогда сообразительный Уатт предложил использовать вместо давления воздуха давление водяных паров. Так он изобрел паровую машину, что дало возможность перемещаться в пространстве с помощью двигателя — когда паровой двигатель стал еще меньше, он легко поместился на тележке с колесами. Начиналась новая эра в науке, рождалась термодинамика.

По ходу своих исследований физики часто сталкивались с задачей измерения. И всегда нуждались во все более точных измерительных приборах. Бывало, что помогала миниатюризация. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), к примеру, хотел замерять крайне ничтожные повышения температуры в чане с водой. Он был пивоваром, как и его отец, и потому занимался увлекавшим его вопросом о соотношении работы и тепла только на досуге. Он знал, что работу можно превратить в тепло — довольно потереть один предмет о другой — и, наоборот, тепло превращается в работу (как в паровой машине Уатта). Задавшись целью определить точное количество тепла, получаемое при совершении некоторой заданной работы, Джоуль поставил такой опыт: он опустил мешалку с лопастями в емкость с водой, и лопасти, вращаясь, нагревали жидкость. За полчаса лопасти совершили 20 оборотов, а вода нагрелась только на половину градуса. Чтобы замерить столь ничтожное повышение температуры, Джоулю понадобился куда более точный термометр, чем те, что у него были, и он смастерил миниатюрный термометр, оказавшийся необычайно точным. По принципу действия новый термометр не отличался от других термометров того времени: и там и там использовалось расширение спирта (или ртути), пропорциональное повышению температуры. Значит, если наполнить спиртом трубку с делениями, то уровень жидкости в трубке будет указывать температуру. Чтобы повысить точность, Джоуль изготовил очень тонкую трубочку и заполнил ее спиртом. К несчастью, диаметр трубки не был постоянным по всей длине и, следовательно, уровень жидкости в трубке не поднимался строго пропорционально вслед за повышением температуры — нужной точности измерения добиться не удавалось. Тогда Джоуль отметил неровности трубки, рассмотрев ее по всей длине в оптический микроскоп, и, чтобы все-таки использовать незадавшуюся трубочку, решил скомпенсировать ее неровности градуировкой, подстраивая (слегка меняя) расстояние между соседними делениями.

Деления на трубку он нанес, применив весьма остроумный способ: покрыл стеклянную трубочку пчелиным воском, а затем сделал на воске поперечные риски очень острым ножом. Затем он погрузил трубочку в разведенную кислоту. Кислота пощадила воск и разъела стекло, обнаженное надрезами, — и на стекле появились тоненькие рисочки: погрешность промежутка между делениями не превышала 6 микрон. Так Джоуль превратил тоненькую трубочку в сверхточный термометр. Его метод гравировки с предварительным нанесением маскирующего слоя применяется до сих пор, в частности, в микроэлектронике. Это изобретение, а также невероятное упорство, помогло Джоулю в 1850 году первым в мире определить соответствие между работой и теплом, выделяемой при ее совершении.

ОТ ЭЛЕКТРОНА К ЭЛЕКТРОНИКЕ

Изучать природные явления непросто. И так было всегда. Порой они кажутся слишком беспорядочными и потому легко вводят в заблуждение. Или же слишком отдалены от повседневности. Чтобы обойти подобные затруднения, ученый пытается воспроизвести естественные условия в лаборатории — чтобы все было под рукой. Подчас это достигается посредством «миниатюризации» изучаемого явления: оно воспроизводится в уменьшенном масштабе. Показательный пример — те эпизоды в истории науки, которые вызвали пришествие физики элементарных частиц, которая в свою очередь породила электронику, а затем и микроэлектронику.