Физики разгадали библейскую загадку о мерах зерна и воздаянии
Физики и математики из Австралии нашли способ максимально плотно упаковывать зерна пшеницы, вытянутые капсул лекарств или наночастицы, реализовав тем самым притчу о воздаянии из Библии, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
"В Евангелие от Луки есть следующая строчка - "Давайте, и дастся вам: мерою доброю, утрясенною, нагнетенною и переполненною отсыплют вам в лоно ваше; ибо, какою мерою мерите, такою же отмерится и вам". Этот стих упоминает все те вещи, которые мы делали в лаборатории - сжимали, трясли и отсыпали. Конечно, я не уверен, что авторы Библии имели в виду то же самое, что и мы", - шутит Мохаммед Саадатфар (Mohammad Saadatfar) из Национального университета Австралии в Канберре.
Тем не менее, признает физик, Библия одной из первых поставила одну из главных и пока не решенных задач математики, физики и химии - то, как можно разместить зерна пшеницы или любые другие продолговатые структуры, чтобы они были максимально плотно и прочно упакованы. Решение этой задачи необходимо, в частности, для того, чтобы наиболее эффективно перевозить грузы, строить более прочные здания из песка и распределять наночастицы по материалам будущего.
Природа, как рассказывают ученые, давно решила эту задачу для кристаллов и сплавов - в их кристаллических решетках атомы "упакованы" максимально плотно. К примеру, атомы хлора и натрия в кристаллах обычной поваренной соли занимают свыше 74% пространства благодаря упаковке в так называемый гранецентрированный куб. Атомы внутри такого куба расположены так, что на каждой его стороне находится по пять ионов хлора и натрия.
Все попытки "ужать" зерно или наночастицы подобным образом проваливались - в лучшем случае ученым удавалось заставить их занимать примерно 64% от общего объема материала, образуя структуры случайной формы.
Саадатфар и его коллеги решили выяснить, почему зерна нельзя ужать еще сильнее, изучая манеру упаковку наночастиц из полиакрила, которые физики насыпали в емкости разных размеров и формы - в цилиндры, шарообразные и прямоугольные чаши, и "утрясали" при помощи в генераторов вибраций.
Просвечивая эти структуры при помощи рентгена и компьютерного томографа, Саадатфар и его коллеги обнаружили, что они на самом деле носят не случайную форму, а организованы в наборы из пяти склеенных друг с другом пирамид, составленных из трех наночастиц. Структуры такого типа, как отмечают физики, не могут упакованы более плотно, если не заставить их превратиться в кубические кристаллы - в них неизбежно будут появляться крупные поры и полости.
Сделать это не так просто, как может показаться, так как для этого нужно приложить очень точное количество энергии, чтобы не разрушить "кристаллы" и при этом сделать их достаточно нестабильными для превращения в кубические структуры. Дальнейшие эксперименты по "утряске" и наблюдения за движением наночастиц, как надеются ученые, помогут понять, как это можно сделать.
