Содержание
Ученые открыли самый прочный материал во Вселенной, и это «ядерные макароны»
Истории
Математические выкладки показывают, что это вещество в десять миллиардов раз прочнее стали.
20 сентября 2018
Как сообщает сайт Sciencealert, атомное спагетти может стать самым надежным и прочным веществом, доступным человечеству. Придется, правда, подождать: от природных месторождений нас отделяют тысячи парсеков. А создавать его искусственно пока реально только на компьютере.
Попробуем пересказать суть явления проще и без длинных слов. Вряд ли для тебя будет сюрпризом заявление, что самое твердое вещество легче всего найти в галактических сверхплотных объектах. Например, в нейтронной звезде. Нейтронная звезда имеет размер всего 10—20 километров в поперечнике, при этом обладает массой, сопоставимой с Солнцем.
Ученые говорят, что такого рода материя в 10 миллиардов раз прочнее стали.
По заявлению физика Чарлза Горовица (Индианский университет в Блумингтоне), «эта цифра звучит безумно, но материал в самом деле невероятно плотный, что придает ему прочности».
Бытовому разуму это трудно представить, но плотность вещества в нейтронной звезде на самом деле плотнее атомного ядра! Окончательному сжатию звезды мешает лишь давление взаимодействия нейтронов. При сжимании частицы нейтрино сбегают со звезды, а нейтроны остаются и плотно утрамбовываются в однородную на первый взгляд массу.
Но только на первый взгляд! По мере утрамбовки нейтронной материи, ее структура приобретает сходство с макаронами, точнее, с различными разновидностями итальянской пасты. Некоторые атомарные структуры складываются в некое подобие лазаньи, из других выходит букатини и ригатони, наука утверждает о существовании структур даже в виде самых обычных спагетти. Плотность таких материй в 100 триллионов раз превышает плотность воды. Вот как видят некоторые из перечисленных укладок научно-популярные иллюстраторы:
К сожалению, в лабораторных условиях на Земле таких астрофизических условий никак не добиться, поэтому исследователи в настоящий момент рады уже тому, что могут изучать поведение ядерных паст в компьютерных симуляторах.
Исследования доказали очевидное, но все равно требовавшее проверки и уточнения утверждение: усилия для повреждения такого вещества потребуются в 10 миллиардов раз более мощные, чем для надлома стали. В общем, из ядерного спагетти возможно делать такие смартфоны, которыми дети смогут даже гвозди забивать, а смартфон будет только смеяться в ответ.
Описанная «паста» образуется ближе к ядру нейтронных звезд, и она прочнее внешней коры (которая сама по себе феноменально крепкая). Потому ученые предполагают, что в ряде случаев кора таких звезд может ломаться и рассыпаться. Мало того, массивы «пасты» внутри нейтронных звезд могут располагаться очень неравномерно и создавать отдельные внутренние глыбы и горы. Подобные неоднородности обязательно генерируют возмущения в гравитационном поле, и астрофизики говорят, что рано или поздно смогут уловить их приборами — если не современными, то аппаратурой обозримого будущего. Большие надежды возлагаются на космическую антенну LISA, запуск которой намечен на 2029 или 2034 год (сейчас идет согласование сроков).
Автор текста:Олег «Апельсин» Бочаров
Почему от сладкого болят поврежденные зубы?
Зуб — это не просто отбойный молоток, который должен измельчать пищу и ничем не беспокоить своего владельца. Как и все другие части нашего организма, зуб должен отсылать мозгу сигналы о своем состоянии, чтобы животное могло изменить свое поведение, если оно ведет к неприятным последствиям. Например, если животное ест что-то жесткое и рискует повредить зубы, у зубов должна быть возможность сообщить от этом в вышестоящие инстанции. Поэтому под прочной эмалью каждого зуба скрываются нервные окончания, всегда готовые отослать мозгу сигнал о том, что с зубом начало происходить что-то не то.
Нежные нервные окончания нельзя поместить прямо в твердой эмали, поэтому в центре зуба есть кусочек, состоящий из мягких тканей, — пульпа. Там и размещаются нервные окончания, а также сосуды, питающие клетки этой живой сердцевины зуба. Между пульпой и твердой эмалью, покрывающей зуб снаружи, есть промежуточный слой — дентин.
Вещество дентина не такое прочное, как эмаль, а также отличается от нее по структуре — дентин пористый, и в нем есть множество тонких каналов. По ним-то к нервным окончаниям, находящимся в пульпе, и могут дойти раздражители, если в эмали зуба появятся повреждения. Канальцы дентина заполнены жидкостью, и боль могут вызывать не только молекулы химических раздражителей, которые приплыли по ней к нервным окончаниям, а, к примеру, и резкое изменение температуры этой жидкости, которое нерв тоже чувствует.
В норме зубы не должны болеть, потому что каналы дентина, ведущие к нервным окончаниям, закрыты эмалью зуба. Эмаль — это самое прочное вещество, которое научились образовывать млекопитающие. Эмаль — это 97% гидроксиапатита — довольно прочного камня. Его твердость по шкале Мооса, которую геологи используют, чтобы характеризовать минералы, равна пяти. Для сравнения, твердость графита по этой шкале составляет единицу, а алмаза — десятку. Это означает, что зубы млекопитающих достаточно твердые, чтобы разгрызть даже некоторые минералы — не то что любую еду.
Как вообще можно повредить эмаль, если не пытаться жевать алмазы и топазы?
Повреждения зубов чаще всего возникают не из-за механических воздействий, а из-за химических. Некоторые вещества реагируют с эмалью и разрушают ее. В основном химические реагенты, которые разрушают эмаль, не поступают с пищей, а образуются, как побочные продукты метаболизма бактерий, живущих у нас во рту. Например, сахара пищи сами по себе никак не вредят эмали, но зато служат пищей для стрептококков и лактобактерий. Перерабатывая сахара, эти бактерии образуют сложную смесь кислот — молочной, масляной, муравьиной, пропионовой и других. Сами по себе эти кислоты не очень сильные, но, если их образуется много, и еще и в непосредственной близости от эмали (когда бактерии образовали на зубе налет), эмаль может постепенно поддаваться. Чем чаще человек ест богатую сахарами пищу и чем тоньше у него от природы слой эмали на зубах, тем быстрее в эмали возникнут повреждения и зубы начнут болеть.
Еще одна причина, по которой болят зубы, — это повреждения их шеек и корней, на которых эмали вообще нет.
В норме эти части зуба находятся в десне, но при ее воспалении они могут вылезать наружу. Дентин корней и шеек зубов вместо эмали покрыт значительно менее прочным материалом — зубным цементом, который повредить легче, чем эмаль. Поэтому болезни десен часто влекут за собой и заболевания зубов.
Что делать, чтобы зубы не болели? Напрашивается ответ: нужно избавиться от бактерий, которые производят разъедающие эмаль кислоты. Но рот — это слишком удобное место жизни для микроорганизмов, теплое, уютное и богатое пищей, поэтому бактерии с неизбежностью будут жить там всегда. Значит, можно только пытаться сделать так, чтобы бактерии не образовывали слишком плотных скоплений на зубах — налет. От этого помогают чистка зубов и полоскание рта. Логично есть поменьше сахаров, из которых бактерии синтезируют кислоты.
Можно пойти другим путем и постараться укрепить эмаль зубов — для этого в состав многих зубных паст входят ионы фтора. Если модифицировать гидроксиапатит зубной эмали фтором, то получится фторапатит, намного более устойчивый к действию кислот.
Перебарщивать со фтором, как и с другими микроэлементами, не стоит — из-за избытка солей этого элемента в воде или пище может возникать неприятное заболевание зубов под названием флюороз. При этом в эмали образуются области, в которых слишком много минералов, и поверхность зубов становится шершавой и пятнистой. Это заболевание встречается у людей, которые живут в регионах с богатой фторидами водой, или у рабочих, задействованных в производствах, где используются фториды. Но в зубных пастах, разумеется, концентрации фтора безопасные, и такие пасты хорошо защищают эмаль зубов от вредного воздействия кислот.
Компьютерная модель
показывает, что карбин является самым прочным из известных материалов
Микросветодиодные чиплеты Avicena однажды смогут соединить все процессоры в компьютерном кластере.
Если ЦП в Сеуле посылает байт данных процессору в Праге, информация покрывает большую часть расстояния как свет, перемещаясь без сопротивления. Но поместите оба этих процессора на одну и ту же материнскую плату, и они должны будут обмениваться данными по энергосберегающим медным проводам, что снижает скорость связи, возможную в компьютерах.
Два стартапа из Силиконовой долины, Avicena и Ayar Labs, что-то делают с этим давним ограничением. Если им удастся наконец довести оптическое волокно до процессора, это может не только ускорить вычисления, но и переделать их.
Обе компании разрабатывают оптоволоконные
чиплеты, небольшие микросхемы, предназначенные для совместного использования высокоскоростного соединения с процессорами и другими микросхемами, требующими больших объемов данных, в общем корпусе. Каждый из них наращивает производство в 2023 году, хотя может пройти пара лет, прежде чем мы увидим на рынке компьютер с любым продуктом.
Ayar Labs преуспела в кардинальной миниатюризации и снижении энергопотребления кремниево-фотонных компонентов, используемых сегодня для передачи битов по центрам обработки данных по оптоволоконным кабелям. Это оборудование кодирует данные в несколько длин волн света от инфракрасного лазера и посылает свет по оптоволокну.
Чиплет Avicena отличается от других: вместо инфракрасного лазерного излучения он использует обычный свет от крошечного дисплея, сделанного из синих микросветодиодов.
И вместо того, чтобы мультиплексировать все оптические данные, чтобы они могли передаваться по одному волокну, оборудование Avicena отправляет данные параллельно по отдельным путям в специализированном оптическом кабеле.
На стороне Ayar — история, предлагающая клиентам технологию, аналогичную той, которую они уже используют для отправки данных на большие расстояния. Но Avicena, темная лошадка в этой гонке, получает выгоду от постоянного прогресса в индустрии микродисплеев, которая, по прогнозам, будет
расти на 80 процентов в год и достичь 123 миллиардов долларов США к 2030 году, чему способствует будущее, полное оборудования виртуальной реальности и даже контактных линз дополненной реальности.
«Эти компании находятся на двух концах спектра с точки зрения риска и инноваций», — говорит
Владимир Козлов, основатель и генеральный директор компании LightCounting, специализирующейся на анализе телекоммуникаций.
Кремниевый чип Avicena, LightBundle, состоит из массива микросветодиодов из нитрида галлия, массива фотодетекторов одинакового размера и некоторых схем ввода-вывода для поддержки связи с процессором, который он подает с данными.
Двойные оптические кабели диаметром 0,5 мм соединяют матрицу микросветодиодов на одном чиплете с фотодетекторами на другом и наоборот. Эти кабели, аналогичные кабелям визуализации в некоторых эндоскопах, содержат пучок волоконных жил, которые выстраиваются в линию с массивами на кристалле, обеспечивая каждому микросветодиоду собственный световой путь.
«Помимо наличия кабеля такого типа, Авицене нужны были еще две вещи, — объясняет он.
Бардия Пезешки, генеральный директор компании. «Первый, который, я думаю, больше всего удивил всех в отрасли, это то, что светодиоды могут работать со скоростью 10 гигабит в секунду», — говорит он. «Это ошеломительно», учитывая, что всего пять лет назад современные системы связи в видимом свете измерялись сотнями мегагерц. Но в 2021 году исследователи Avicena представили версию microLED, которую они назвали оптическими микроэмиттерами с усиленной полостью, или CROME. Устройства представляют собой микросветодиоды, которые были оптимизированы для скорости переключения за счет минимизации емкости и снижения эффективности преобразования электронов в свет.
Нитрид галлия обычно не интегрируют в кремниевые чипы для вычислений, но благодаря достижениям в индустрии микросветодиодных дисплеев это, по сути, решенная проблема. В поисках ярких излучающих дисплеев для AR/VR и других вещей технологические гиганты, такие как Apple, Google и Meta, потратили годы на поиск способов перенести уже построенные светодиоды микрометрового масштаба в точные точки на кремнии и других поверхностях. Теперь «это делают миллионы каждый день», — говорит Пезешки. Сама Авицена недавно
приобрела завод, на котором разрабатывались CROME, у своего соседа из Силиконовой долины Nanosys.
Производителям компьютеров нужны решения, которые не только помогут в ближайшие два-три года, но и обеспечат надежные улучшения на десятилетия.
Вторым компонентом был фотодетектор. Кремний плохо поглощает инфракрасный свет, поэтому разработчики кремниево-фотонных систем обычно компенсируют это, делая фотодетекторы и другие компоненты относительно большими. Но поскольку кремний легко поглощает синий свет, фотодетекторы для системы Avicena должны иметь толщину всего в несколько десятых микрометра, что позволяет легко интегрировать их в чиплет под массивом формирующих волокон.
Пезешки благодарит Дэвида А.Б. из Стэнфорда. Миллер более десяти лет назад доказал, что КМОП-фотодетекторы, обнаруживающие синий свет, достаточно быстры, чтобы выполнять эту работу.
По словам Пезешки, комбинация оптического волокна, синих микросветодиодов и кремниевых фотодетекторов приводит к системе, которая в прототипах передает «много» терабит в секунду. Не менее важным, чем скорость передачи данных, является низкая энергия, необходимая для небольшого перемещения. «Если вы посмотрите на целевые значения кремниевой фотоники, то увидите, что они составляют несколько пикоджоулей на бит, и это от компаний, которые намного опережают нас» с точки зрения коммерциализации, — говорит Пезешки. «Мы уже побили эти рекорды». В демонстрации система перемещала данные, используя около половины пикоджоуля на бит. Первый продукт стартапа, который ожидается в 2023 году, не будет доходить до процессора, а будет направлен на подключение серверов в стойке центра обработки данных. Чиплет для оптических соединений между чипами последует «прямо за ним по пятам», говорит Пезешки.
Но есть пределы способности микросветодиодов передавать данные. Поскольку светодиодный свет является некогерентным, он страдает от эффектов рассеивания, которые ограничивают его расстояние до 10 метров. Лазеры, напротив, естественно хороши для преодоления дистанции; Чипсеты Ayar TeraPHY имеют радиус действия до 2 километров, потенциально разрушая архитектуру суперкомпьютеров и центров обработки данных даже больше, чем технология Avicena. Они могли бы позволить производителям компьютеров полностью переосмыслить свою архитектуру, позволив им построить «по сути один компьютерный чип, но построить его в стоечном масштабе», — говорится в сообщении.
Генеральный директор Ayar Чарли Вуишпард. По его словам, компания наращивает производство вместе со своим партнером GlobalFoundries и вместе с партнерами создает прототипы в 2023 году, хотя они вряд ли будут обнародованы.
Козлов говорит, что ожидает появления многих новых конкурентов. Производителям компьютеров нужны решения, которые «не только помогут в ближайшие два-три года, но и обеспечат надежные улучшения на десятилетия». В конце концов, медные соединения, которые они стремятся заменить, также все еще совершенствуются.
Эта статья появилась в печатном выпуске за январь 2023 года под названием «Тёмная (синяя) лошадь появляется для ускорения вычислений».
Продолжить чтение ↓Показать меньше
Самое твердое вещество в организме человека: все о зубной эмали
Ваше удивительное, универсальное и сложное тело крепче, чем кажется. Между вашими мышцами, кожей, хрящами и костями ваши жизненно важные органы окружены структурным силовым полем, которое удваивается как чудо инженерной мысли.
Итак, какое самое твердое вещество в вашем теле? Ответ может вас удивить. На самом деле, самое прочное и жесткое вещество в вашем теле — это ткань.
Покрытие зубов и помощь в жевании, откусывании и разрывании пищи — это зубная эмаль. Это самое твердое вещество в человеческом теле.
Продолжайте читать, чтобы узнать больше об эмали и других прочных элементах вашего тела.
Эмаль — это один из четырех типов тканей, из которых состоят ваши зубы. Другие три типа:
- дентин
- цемент
- пульпа
Эмаль на 96 процентов состоит из плотно упакованных минералов, которые содержат больше минералов, чем любая другая ткань, которую создает ваше тело. Это делает эмаль идеальным защитником для ваших зубов, грызете ли вы вяленое мясо или пьете горячий напиток.
Насколько тверда эмаль?
Исследования на атомном уровне показали, что зубная эмаль человека невероятно сложна. Он состоит из плотно сгруппированных минеральных кристаллов продолговатой формы, которые в тысячу раз меньше пряди вашего волоса.
По шкале твердости Мооса зубная эмаль получает 5 баллов. Это означает, что она примерно такая же твердая или тверже стали. Для справки: алмазы — самое прочное вещество на земле, имеющее 10-е место по шкале Мооса.
Возможно, вы предполагали, что кости являются самым твердым веществом в вашем теле. А кости невероятно прочные, они также получают 5 баллов по шкале твердости Мооса.
Кости считаются прочнее бетона. Забавный факт: челюстная кость и бедренная кость считаются самыми крепкими костями в вашем теле.
Кость состоит из живой ткани. Коллаген и минерал, называемый фосфатом кальция, составляют большую часть вашей костной структуры.
- Кортикальная костная ткань плотная и составляет наружные слои ваших костей.
- Трабекулярная костная ткань — это губчатый, сотовый материал, из которого состоят ваши внутренние кости.
Уникальный состав ваших костей делает их прочными и эластичными, но при этом достаточно гибкими, чтобы выдерживать некоторую нагрузку.
Мышцы, связки и сухожилия также невероятно прочны, хотя они состоят не из самых твердых материалов в вашем теле.
Мышцы
Мышцы состоят из тысяч очень гибких волокон.
Мышцы помогают вашим костям двигаться, а также образуют стенки, окружающие ваши органы.