Blog

Naujausi atradimai Kinijoje skamba tarsi vieno serialo Z archiwum X serijos siužetas. Vis dėlto šįkart kalbama ne apie mistiką, o apie archeologinį radinį, kurio sudėtyje aptikta, kaip teigiama, nežemiškos kilmės medžiagos. Tyrimai, atlikti Sanxingdui archeologinėje vietovėje, pateikė kelias intriguojančias išvadas.

Nežemiškos kilmės geležis – itin vertinga medžiaga priešistorėje

Radinys – į kirvį panašus daiktas arba ceremoninio pobūdžio ginklas – buvo rastas vienoje iš aukojimo duobių Sičuano provincijoje. Sanxingdui laikoma viena svarbiausių archeologinių vietovių Kinijoje: ji datuojama maždaug 2800–600 m. pr. Kr. laikotarpiu ir garsėja itin išplėtota kultūra bei paslaptingais ritualais.

Cheminės analizės parodė, kad artefakte yra didelė nikelio ir geležies koncentracija – tai būdinga meteoritinei medžiagai. Būtent šis faktas laikomas svarbiausiu įrodymu, rodančiu, kad radinio žaliava greičiausiai atkeliavo iš kosmoso. Ypač reikšminga tai, jog daiktas sukurtas laikotarpiu, kai regione dar nebuvo žinoma geležies lydymo technologija. Dėl to jis gali būti vienas seniausių pavyzdžių, kai panaudota vadinamoji „dangaus geležis“.

Nors tokie pranešimai skamba sensacingai, mokslininkai pabrėžia, kad čia nereikėtų ieškoti nieko antgamtiško. Bronzos amžiuje meteoritai buvo praktiškai vienintelis prieinamas geležies šaltinis. Šis metalas anuomet buvo ypač retas ir brangus – neretai vertintas net labiau nei auksas. Dėl to jis dažniausiai buvo naudojamas ritualinės reikšmės daiktams arba aukšto statuso žmonėms skirtiems objektams.

Reiškinys, apsiribojantis ne vien Kinija

Panašių radinių žinoma ir kitose pasaulio vietose. Tyrimai leidžia manyti, kad nemaža dalis seniausių geležinių dirbinių – nuo papuošalų iki ginklų – buvo pagaminti būtent iš meteoritų dar iki tol, kol paplito metalurgijos technologijos. Kinijoje jau anksčiau aptikta ginklų, kuriuose derinamas bronzos lydinys ir meteoritinė geležis, o tai rodo aukštą vietos amatininkų technologinę patirtį.

Vis dėlto naujasis Sanxingdui radinys išsiskiria savo dydžiu ir amžiumi. Tyrėjų teigimu, jis gali pakoreguoti dabartinį supratimą apie metalurgijos raidą Azijoje ir atskleisti, kad senovės kultūros buvo gerokai pažangesnės, nei manyta iki šiol. Kartu pabrėžiama, kad nors medžiagos kilmė beveik neabejotinai meteoritinė, tikslus meteorito tipas kol kas nėra nustatytas – tam reikės papildomų analizių.

Rekonstrukcijos darbai Ukrainos Pervomajske netikėtai virto archeologiniu atradimu. Darbininkai istorinėje miesto dalyje aptiko išplėtotą požeminių struktūrų sistemą, paslėptą giliai po žeme. Radinys greitai patraukė tiek vietos gyventojų, tiek tyrėjų dėmesį, nes apie paslaptingus, esą kazokų išraustus tunelius šiame mieste pasakojama jau daugybę metų.

Turima informacija rodo, kad požeminiai statiniai aptikti atsitiktinai, vykdant statybos ir tvarkymo darbus. Po žeme rasti mūro fragmentai panašūs į didesnio, tarpusavyje sujungto komplekso dalis. Jų būklė leidžia manyti, kad šios erdvės ilgą laiką nebuvo naudojamos, o dalis koridorių galėjo būti užversti arba tiesiog pamiršti dėl vėlesnių miesto pertvarkymų.

Viena hipotezė sieja šiuos požemius su kadaise čia buvusia gyvenviete, vadinta Holta. Ji šioje vietoje egzistavo dar iki dabartinio miesto susiformavimo. Spėjama, kad prieš maždaug 200 metų dalis gyvenvietės galėjo būti apleista, pavyzdžiui, dėl potvynių ar pakitusios upės vagos. Jei ši versija pasitvirtintų, aptikti koridoriai greičiausiai būtų buvę ūkinės paskirties infrastruktūra – rūsiai, sandėliai ar slėptuvės, o ne kariniai tuneliai.

Vis dėlto vietos bendruomenėje nedelsiant atgijo kazokų tema. Iš kartos į kartą perduodamos istorijos pasakoja apie slaptus perėjimus, kuriuos neva statė Zaporožės kazokai. Pasak legendų, jie galėjo būti skirti pabėgimo keliams, ginklų slėptuvėms ar ryšio maršrutams, leidusiems nepastebimai judėti tarp strategiškai svarbių vietų. Kai kurie pasakojimai teigia net tai, kad tuneliai driekėsi po upės vaga – toks inžinerinis sprendimas anuomet būtų buvęs ypač įspūdingas.

Mokslininkai kol kas tokius aiškinimus vertina atsargiai. Šiuo metu nėra tvirtų įrodymų, kurie leistų aptiktas konstrukcijas tiesiogiai sieti su kazokų veikla. Statinių pobūdis gali atitikti įprastus miesto rūsius ar ūkinius požeminius sprendimus, paplitusius Rytų Europoje XVIII–XIX amžiuje. Lemiamas bus tolesnis archeologinis tyrimas: reikės nustatyti plytų amžių, statybos techniką, taip pat ieškoti požymių, rodančių, kaip ir kada šios erdvės buvo naudojamos.

Pažymima, kad dideli požeminiai tinklai šiame regione nėra retenybė. Dažnai minimas pavyzdys – Odesos katakombos, vienas didžiausių požeminių labirintų pasaulyje, kurio koridoriai, kaip teigiama, gali siekti tūkstančius kilometrų. Jos daugiausia susiformavo dėl akmens gavybos, tačiau vėliau buvo naudojamos kaip slėptuvės, sandėliai ar net prieglobsčiai partizanams.

Dėl to neatmetama, kad Pervomajsko požeminės struktūros taip pat galėjo turėti ne vieną paskirtį. Jos galėjo būti formuojamos etapais, perstatomos ir pritaikomos skirtingų bendruomenių per dešimtmečius ar net šimtmečius. Tyrėjai pabrėžia, kad artimiausi mėnesiai bus itin svarbūs: jei pavyks atlikti detalią analizę ir ištirti visą sistemą, bus galima tiksliau atkurti jos pirminę funkciją ir naudojimo istoriją.

Šaltinis: „Suspilne Mykolaiv“

Nauji tyrimai, kuriuose analizuoti radiacijos lygiai Ispanijos eksklave Meliljoje, atskleidė netikėtų rezultatų. Mokslininkai iškėlė prielaidą, kad ryšys tarp geologinės sandaros ir natūralios aplinkos radioaktyvumo gali būti kur kas sudėtingesnis, nei manyta iki šiol. Nors šis regionas yra žemynų sandūroje ir pasižymi įvairia geologine sandara, matavimai parodė išskirtinai žemą vadinamosios foninės spinduliuotės lygį.

Ilgamečiai matavimai Meliljoje atskleidė natūralų fenomeną

Daug metų trukusios stebėsenos duomenys parodė, kad natūralių radioaktyviųjų izotopų – tokių kaip uranas, toris ir kalis-40 – koncentracijos čia yra mažesnės nei daugelyje kitų pasaulio vietų. Būtent šie elementai sudaro didžiąją dalį natūralios spinduliuotės, su kuria žmonės susiduria kasdien. Praktikoje tai reiškia, kad Meliljos gyventojai gauna mažesnes apšvitos dozes nei vidutinis žmogus planetoje.

Vis dėlto aplinka nėra visiškai vienalytė. Tyrėjai nustatė aiškius skirtumus, priklausančius nuo vietinių geologinių sąlygų. Ten, kur vyrauja vulkaninės kilmės uolienos, spinduliuotės lygis didesnis, tačiau vis tiek neperžengia saugių ribų. Tai parodo, kokią reikšmę turi mikrogeografija: net nedideli požeminės sudėties pokyčiai gali daryti įtaką foninės spinduliuotės lygiui.

Vienas svarbiausių tyrimo aspektų buvo vadinamosios efektyviosios dozės analizė – tai spinduliuotės kiekis, kuris realiai veikia žmogaus organizmą. Meliljoje ši dozė siekia apie 0,23 milisiverto per metus, kai pasaulinis vidurkis yra kelis kartus didesnis. Palyginimui, vienas kompiuterinės tomografijos tyrimas gali suteikti kelių milisivertų dozę, todėl Meliljoje fiksuojami dydžiai yra itin maži.

Nusistovėjusias prielaidas mokslininkai ragina vertinti kritiškai

Mokslininkai pabrėžia, kad vien dirvožemio ar uolienų analizės nepakanka. Vienas svarbiausių veiksnių, galinčių lemti poveikį sveikatai, yra radonas – bespalvės ir bekvapės dujos, susidarančios skylant uranui Žemės plutoje. Radonas gali skverbtis į pastatus per pamatus ir kauptis prastai vėdinamose patalpose. Ilgainiui didelės šių dujų koncentracijos didina riziką susirgti, pavyzdžiui, plaučių vėžiu, todėl radonas laikomas vienu reikšmingiausių natūralių radiologinių pavojų.

Įdomu tai, kad Meliljos atvejis įsilieja į platesnį pasaulinių tyrimų kontekstą. Yra vietovių, pavyzdžiui, Ramsaro regionas Irane ar kai kurios Brazilijos teritorijos, kur spinduliuotės lygiai gerokai viršija pasaulio vidurkį, tačiau aiškiai didesnio onkologinių ligų paplitimo ten ne visada nustatoma. Šis reiškinys ir toliau išlieka aktyvių mokslinių diskusijų objektu.

Natūrali radioaktyvumo kilmė nėra vien dirvožemis ar uolienos. Svarbų vaidmenį atlieka ir kosminė spinduliuotė, pasiekianti Žemę iš kosmoso. Jos intensyvumas didėja kylant aukščiau virš jūros lygio, todėl kalnuose gyvenantys žmonės ar dažnai lėktuvais keliaujantieji paprastai gauna kiek didesnes dozes. Šiame kontekste žemesnė Meliljos geografinė padėtis ir specifinės vietovės sąlygos gali iš dalies paaiškinti užfiksuotus mažus rodiklius.

Tyrimas taip pat atkreipė dėmesį į statybines medžiagas. Kai kur pasaulyje pastatams naudojamos uolienos, turinčios daugiau natūralių radioaktyviųjų izotopų, todėl patalpų viduje spinduliuotė gali būti didesnė. Meliljoje nustatyta, kad naudojamos medžiagos nėra reikšmingas papildomos apšvitos šaltinis, o tai prisideda prie bendro mažo radiologinio pavojaus. Be to, šie rezultatai verčia abejoti įsitikinimu, jog sudėtinga geologinė sandara visada reiškia didesnę natūralios spinduliuotės riziką.

Šaltinis: „Scientific Reports“

Marsas turi keistą talentą kurstyti žmonių vaizduotę. Pakanka vienos uolos su neįprastai lygiu šlaitu ar šešėlio, krintančio tinkamu kampu, ir internete tuoj pat pradeda sklisti istorijos apie griuvėsius, monumentus bei senovinės civilizacijos pėdsakus. Šį kartą dėmesio centre atsidūrė formacija Candor Chasma regione – milžiniškos Valles Marineris kanjonų sistemos dalyje. Iš kai kurių rakursų ji primena egiptietišką piramidę.

Pati formacija, vadinama Candor Tetrahedron, nėra naujas pastarųjų dienų atradimas. Šios vietovės nuotraukos internete cirkuliuoja jau ne vienerius metus, o „NASA“ dar XXI amžiaus pradžioje Candor Chasma pristatė kaip teritoriją, kur sluoksniuotos uolienos buvo intensyviai formuojamos erozijos, vėjo ir medžiagos slinkimo šlaitais.

Žmogaus smegenys turi vieną itin stiprią savybę – jos puikiai atpažįsta pažįstamus raštus net ten, kur gamta tėra palikusi atsitiktinį linijų, šešėlių ir briaunų derinį. Dėl to Marsas nuolat „pagamina“ ne tik tariamas piramides, bet ir veidus, lokius, šalmus, duris bei visą galeriją kosminių optinių apgaulių.

Skała atrodo geometriška, nes geologija taip pat „moka“ išgauti aštrias formas

Candor Tetrahedron stūkso Candor Chasma – viename iš kanjonų, priklausančių Valles Marineris, didžiausiai žinomai kanjonų sistemai Saulės sistemoje. Tai kraštovaizdis, kur labai ilgą laiką veikė erozija, nuošliaužos, vėjas ir procesai, susiję su vis naujų uolienų sluoksnių atsidengimu. „NASA“ dar 2002 metais šį regioną aprašė kaip vietą, kur sluoksniuota medžiaga buvo smarkiai „išskobta“ įvairių erozinių mechanizmų.

Formacijos skersmuo siekia apie 290 metrų, o aukštis – maždaug 145 metrus. Tokio mastelio pakanka, kad nuotraukose ji atrodytų monumentaliai, tačiau aplinkoje tai tėra viena iš daugelio izoliuotų kalvų ir atsparesnių uolienų likučių, išlikusių tuomet, kai aplinkinės struktūros palaipsniui buvo ardytos Marso sąlygų. Pažvelgus atidžiau, šlaitai nėra idealiai taisyklingi, o trys „sienos“ neturi vienodų proporcijų.

Būtent čia romantiška istorija apie Marso statytojus ima byrėti. Gamtai nereikia kurti tobulai reguliarių objektų, kad žmogaus akis juos palaikytų pažįstamais. Pakanka kelių ryškesnių briaunų, trikampio kontūro ir tinkamo apšvietimo – visa kita „užpildo“ mūsų vaizduotė. Geologija šiuo požiūriu kartais atrodo stebėtinai išradinga ir sugeba suformuoti figūras, kurios primena žmogaus sukurtas.

Marsas šį triuką rodo jau seniai

Tai ne pirmas kartas, kai Raudonoji planeta žmonėms pakiša vaizdą, atrodantį pernelyg pažįstamai. Garsiausias pavyzdys – vadinamasis „veidas Marse“ Cydonia regione. Kai pasirodė geresnės raiškos „Mars Express“ nuotraukos, „ESA“ aiškiai parodė, kad paslaptingas veidas tebuvo perspektyvos, apšvietimo ir reljefo derinio efektas. Tai kone vadovėlinis atvejis, kaip vaizdo grūdėtumas ir žemas šviesos kritimo kampas gali sukurti sensaciją.

Panašiai gimė ir vėlesni virusiniai „atradimai“ – „meškos veidas“, „šalmas“, „durys“ ir kiti keistai atrodantys objektai, kurie atidesnės analizės metu sugrįždavo į savo įprastą, geologinį paaiškinimą. Tai nereiškia, kad Marsas nuobodus – priešingai. Planeta tokia turtinga reljefo formų, nuogulų, lūžių ir senųjų procesų pėdsakų, kad lengvai sukuria vaizdus, kurie atrodo kone pasakojantys istorijas. Tačiau dažniausiai tos istorijos labiau pasakoja apie mus, o ne apie pačią planetą.

Paradoksalu, bet kuo daugiau turime nuotraukų ir kuo jos kokybiškesnės, tuo rečiau jos sustiprina teorijas apie dirbtinę tokių objektų kilmę. Dažniausiai nutinka priešingai: didėjant raiškai dingsta tariamas „idealumas“, o lieka raukšlėta, nelygi, suaižėjusi uoliena. Taip baigėsi „Marso veido“ istorija – panašiai šiandien aiškinama ir „piramidė“.

Didžiausia šios istorijos „herojė“ yra pareidolija. Terminas skamba moksliškai, tačiau reiškinys – kasdienis. Pareidolija reiškia mūsų polinkį atsitiktiniuose dirgikliuose įžvelgti pažįstamus raštus: veidus debesyse, siluetus dėmėse ant sienos ar gyvūnus uolų formose. Marse tai veikia ypač stipriai, nes tenykštis kraštovaizdis yra atšiaurus, kontrastingas, pilnas šešėlių ir pavienių formų, iškylančių iš tuščios erdvės. Kitaip tariant, tai ideali scena žmogaus vaizduotei.

Turbulencija dažniausiai siejama su chaosu, tačiau fizikoje šis chaosas ilgą laiką turėjo, regis, nepajudinamas taisykles. Viena svarbiausių teigė, kad energijos perdavimo kryptis priklauso nuo sistemos matmenų: trimatėse tėkmėse energija keliauja nuo didelių sūkurių prie vis mažesnių, kol galiausiai išsisklaido, o dvimatėse tėkmėse vyksta priešingai – energija „kyla“ į didesnes struktūras.

Ši intuicija, įtvirtinta klasikinėje teorijoje, plėtotoje nuo praėjusio amžiaus 5-ojo dešimtmečio, ilgai buvo laikoma kone skysčių dinamikos pagrindais. Vis dėlto nauji rezultatai rodo, kad šie pagrindai nėra tokie griežti, kaip manyta.

Tyrėjai sukūrė teorinį modelį ir jį patikrino eksperimentiškai bei skaitmeninėse simuliacijose. Jiems pavyko dvimatėje sistemoje išgauti vadinamąjį tiesioginį energijos srautą – situaciją, kai energija keliauja į mažesnes skales, nors klasikinis vaizdas leistų tikėtis priešingo proceso. Tai nėra menka pataisa detalėse – greičiau smūgis senam įsitikinimui, kad vien tik tėkmės matmeniškumas iš anksto nulemia energijos kaskados kryptį.

Turbulencija ir toliau paklūsta Navjė–Stokso lygtims, tačiau paaiškėjo, kad ją galima kur kas labiau valdyti keičiant sąveikų geometriją, nei buvo manoma dešimtmečius. Paprasčiau tariant, reikšmę turi ne vien tai, kiek energijos perduodama skysčiui, bet ir tai, kaip tarpusavyje „suderintos“ judesio deformacijos ir jį sukeliančios jėgos. Pakeitus šią tarpusavio geometriją, galima pakeisti ir pačios energijos tėkmės kryptį.

Kur teka energija?

Turbulencijoje svarbiausia ne pavienė banga ar vienas sūkurys, o tai, kaip energija perskirstoma tarp skirtingų judėjimo mastelių. Didelės struktūros gali irti į mažesnes, o smulkūs sūkuriai – jungtis į didesnius darinius. Šis energijos „judėjimas per skales“ iš esmės yra visos turbulencijos pasakojimo karkasas. Dėl to fizikai ilgą laiką laikėsi paprasto skirstymo: trys matmenys reiškia kaskadą žemyn, du matmenys – kaskadą aukštyn.

Naujasis darbas rodo, kad kryptis nėra vien „matmeniškumo nuosprendis“. Tyrėjai energijos srautą susiejo su tenzorių, aprašančių ryšį tarp poslinkio ir jėgos sistemoje, geometrija. Nors skamba techniškai, esmę galima nusakyti paprasčiau: svarbu, kokiu kampu ir kokia struktūra tarpusavyje dera judesio deformacija ir ją sukeliantys poveikiai. Keičiant šią tarpusavio sandarą, galima pakeisti net energijos srauto ženklą.

Ilgą laiką turbulencijos tyrimai priminė orų stebėjimą: galima matuoti ir statistiškai prognozuoti, tačiau sunku iš tiesų paveikti patį mechanizmą. Dabar atsiranda prielaida, kad tinkamai suprojektavus sistemą, galima ne tik stebėti, kur teka energija, bet ir daryti įtaką tam, kuria kryptimi ji tekės.

Laboratorija parodė, kad tai ne vien graži teorija

Kad viskas neliktų tik elegantiška matematika, komanda savo idėją patikrino plono elektrolito sluoksnio eksperimente, kur tėkmė buvo varoma elektromagnetiškai. Tai buvo beveik dvimatė tėkmė – tokia, kurioje klasikinė teorija prognozuotų atvirkštinę energijos kaskadą (į didesnes struktūras). Vis dėlto tyrėjai papildomai įrengė tiksliai orientuotą strypų struktūrą, kuri specifiniu būdu trikdė srautą, o judėjimą sekė naudodami skystyje esančias žymimąsias daleles.

Rezultatas buvo aiškus: pakeitus sąveikų geometriją, sistema iš tiesų galėjo pereiti į režimą, kuriame energija keliauja į mažesnes skales. Tai svarbu, nes tokiose situacijose didžiausia rizika – kad nauja koncepcija puikiai veiks teorijoje ar kompiuteriuose, bet „ištirps“ realiame skystyje. Šį kartą tokio neatitikimo nematyti: eksperimentai ir simuliacijos sutapo.

Toks atradimas turi ir grynai intelektualų svorį. Turbulencija seniai laikoma vienu sunkiausiai „prisijaukinamų“ reiškinių klasikinėje fizikoje. Todėl bet koks rezultatas, kuris ne tik tiksliau ją aprašo, bet ir leidžia tikėtis jos pagrindinio mechanizmo valdymo, natūraliai sukelia didelį atgarsį.

Skamba abstrakčiai, bet pasekmės – labai praktiškos

Viena akivaizdžiausių pritaikymo sričių – pakrančių srovės ir taršos pernaša. Tyrėjai svarsto, kad nedidelės fizinės užtvaros galėtų pakeisti didelių pernašos struktūrų elgesį taip, kad būtų galima daryti įtaką nuotekų ar kitų medžiagų sklaidai palei pakrantes. Kitaip tariant, nebūtina „perprojektuoti“ visos jūros, kad subtiliai pakeistumėte, kaip energija organizuoja vandens judėjimą didesniu masteliu.

Antra įdomi kryptis – mikrolygis. Mikrofluidikos sistemose, kur svarbus kiekvienas lašas ir kiekvienas kanalas, kurio plotis tesiekia milimetro dalį, skysčių maišymas dažnai sudėtingas, nes tėkmė būna pernelyg tvarkinga, o klampa slopina sūkurius. Jei vis dėlto įmanoma sukurti savotišką silpną turbulenciją esant mažam Reinoldso skaičiui, tinkamai suderinus jėgas ir poslinkius, atsivertų kelias efektyvesniam reagentų maišymui. Tokiose sistemose maišymo kokybė gali lemti labai daug – nuo diagnostikos iki vaistų gamybos.

Galiausiai tai aktualu ir klimatui bei okeanografijai. Čia kalbama ne apie pažadą, kad vienas naujas modelis išspręs visų klimato prognozių problemas, o apie realesnį tikslą: geriau suprasti, kada ir kodėl energija atmosferoje ar vandenynuose elgiasi ne taip, kaip teigia supaprastintas vaizdas. O sistemose, kuriose itin svarbi impulso, šilumos ir teršalų pernaša, net nedidelis mechanizmo supratimo pagerėjimas gali turėti didelę reikšmę.

Trintis – toks kasdienis reiškinys, kad dažnai atrodo, jog čia nebėra ką atrasti. Kėdė priešinasi stumiama, padanga kimba į asfaltą, degtukas užsidega patrynus. Mokykloje viskas pateikiama itin paprastai: kuo stipriau prispausi paviršius, tuo didesnė bus trintis. Šią tvarką nuo XVII a. pabaigos apibūdina pirmasis Amontonso dėsnis – vienas klasikinių empirinių mechanikos dėsnių.

Vis dėlto naujas tyrimas rodo, kad ši taisyklė nėra tokia universali, kaip ilgą laiką manyta. Konstanco universiteto mokslininkų komanda nagrinėjo trintį magnetinėje sistemoje, kurioje du sluoksniai mechaniškai nesiliečia, tačiau judėjimui vis tiek atsiranda pasipriešinimas. Paaiškėjo, kad didinant „apkrovą“ trintis neauga tolygiai. Vietoj to pasireiškia aiškus pikas: pasipriešinimas didžiausias esant vidutiniams atstumams, o silpnesnis tiek tada, kai sluoksniai yra labai arti, tiek tada, kai jie labiau nutolę.

Šis rezultatas nereiškia, kad kasdienėje aplinkoje staiga nustos galioti mums įprastas trinties vaizdas – batų paduose, stabdžiuose ar stalčiuose. Greičiau tai priminimas, kad fizikoje taisyklės, puikiai veikiančios makromasteliu ir esant mechaniniam kontaktui, gali pradėti „trūkinėti“ specialiose ar mikroskopinėse sistemose. Ypač ten, kur pasipriešinimą lemia ne paviršių sąlytis, o kolektyvinė magnetinių laukų dinamika.

Trintis atsiranda ir be prisilietimo

Šiame eksperimente nebuvo dviejų šiurkščių paviršių, besitrinančių tarsi švitrinis popierius. Tyrėjai dirbo su magnetine sistema, sudaryta iš judančių sukinių (spinų) elementų ir antro magnetinio sluoksnio. Kai vienas sluoksnis slenka kito atžvilgiu, magnetiniai momentai nuolat bando prisitaikyti prie kintančios padėties. Būtent šis nenutrūkstantis persitvarkymas tampa pasipriešinimo šaltiniu. Kitaip tariant, trintis čia kyla ne iš klasikinio kontakto, o iš vidinės magnetinės tvarkos reorganizacijos.

Nors tai skamba tarsi fizikinis triukas, logika paprasta: jei sistema judėdama turi nuolat „perrašinėti“ savo būseną, tam reikia energijos. Ten, kur judėjimas sukelia energijos nuostolius, greitai atsiranda ir reiškinys, kurį suvokiame kaip trintį. Tik šiuo atveju pagrindinį vaidmenį atlieka ne paviršiaus nelygumai, dėvėjimasis ar mikroskopiniai įbrėžimai, o magnetinė „frustracija“ ir kolektyvinis sukinių persitvarkymas.

Įprastas trinties vaizdinys yra grynai mechaninis: kažkas šnypščia ir braižosi į kažką. Čia pasipriešinimas labiau primena žmonių minią siaurame praėjime. Kai erdvės per daug – visi praeina lengvai. Kai viskas itin suspausta – tvarka gali vėl tapti paprastesnė. Tačiau „per vidurį“ atsiranda blogiausias momentas: kiekvienas bando įsitaisyti, trukdo kitiems, ir judėti tampa sunkiausia. Būtent tada fiksuojamas trinties maksimumas.

Senas dėsnis nežlunga, bet nebėra vienintelis

Pirmasis Amontonso dėsnis supaprastintai teigia, kad trinties jėga yra proporcinga prispaudimo jėgai. Kasdienėje mechanikoje tai veikia puikiai, ir nėra požymių, kad dėl šio eksperimento reikėtų perrašyti automobilių stabdžių instrukcijas. Problema atsiranda tada, kai šis dėsnis pradedamas laikyti beveik visur ir visada galiojančiu principu. Nauji rezultatai aiškiai rodo: egzistuoja sistemos, kuriose ryšys tarp „apkrovos“ ir judėjimo pasipriešinimo nėra tiesinis.

Tokio pobūdžio atradimai moksle dažniausiai nereiškia, kad senos teorijos „išmetamos pro langą“. Dažniau jos tiesiog praranda absoliutumo pretenziją: tai, kas atrodė fundamentalus dėsnis, pasirodo esąs labai geras artinys tam tikroms sąlygoms. Už jų ribų ima veikti kita fizika arba ta pati fizika, tik su papildomais „veikėjais“ – šiuo atveju su kolektyvine magnetine dinamika.

Verta prisiminti, kad tai ne pirmas signalas apie klasikinių trinties dėsnių ribotumą. Jau seniai žinoma, kad nanomasteliu trinties elgsena gali skirtis nuo paprasto makroskopinio vaizdo. Šis tyrimas papildo bendrą istoriją nauju, itin ryškiu skyriumi: reiškinys, kuris vadovėliuose dažnai atrodo banalus, vis dažniau atskleidžia subtilią sudėtingų sistemų fiziką.

Daugelį metų technologijos bandė iš gamtos išmokti vieną sudėtingą „triuką“: kaip padaryti, kad paviršius būtų ne pasyvi danga, o gyvas, kintantis ir į aplinką reaguojantis sluoksnis. Aštuonkojai bei sepijos per kelias akimirkas geba ne tik pakeisti spalvą, bet ir odos tekstūrą, todėl ima atrodyti ne kaip atskiras objektas, o kaip aplinkos dalis.

Dabar Stanfordo universiteto inžinieriai pristatė medžiagą, judančią būtent šia kryptimi: ji gali keisti ir spalvą, ir paviršiaus topografiją, o pokyčiai vyksta mažesniu masteliu nei žmogaus plauko storis.

Tai dar nėra „nematomumo apsiaustas“ ir ne paruoštas masinei prekybai ateities įrenginys. Tačiau šis sprendimas svarbus kaip įrodymas, kad galima sujungti minkštą polimerą, itin tikslius raštus, formuojamus elektronų pluoštu, ir kontroliuojamą medžiagos brinkimą taip, kad paviršius tiesiogine prasme pradėtų transformuotis. Kai plėvelė sausa, ji atrodo įprastai ir išlieka lygi. Patekus vandeniui, tam tikrose vietose ji išbrinksta, susiraukšlėja, iškyla ar įdumba ir ima kitaip atspindėti šviesą.

Esminė idėja čia ne vien estetinė – ne šiaip „gražiai keičianti spalvą“ plėvelė. Medžiagą galima programuoti mikro- ir nanostruktūros lygmeniu, kad aktyvavus ji atskleistų raštus, blizgesį, matinį efektą, reljefą ar net labai konkrečius erdvinius vaizdus. Tai mažiau primena dažus ar ekraną, o labiau – naujo tipo paviršių, kuris pats tampa dinamiška informacijos forma.

Vanduo, elektronai ir netikėtas atradimas

Medžiagos veikimo principas stebėtinai elegantiškas. Tyrėjai panaudojo į vandenį reaguojantį polimerą ir elektronų pluošto litografiją – metodą, gerai žinomą mikroelektronikos srityje. Elektronų pluoštas lokaliai pakeičia plėvelės savybes, todėl vienos zonos vandenį sugeria ir brinksta kitaip nei kitos. Kai brinkimas tampa netolygus, atsiranda reljefas: įdubos, iškilimai ir bangelės. Kitaip tariant, paviršius tarsi „išsiskaptuoja“ pats, bet tiksliai ten, kur jis iš anksto buvo „užprogramuotas“.

Kaip neretai nutinka geruose tyrimuose, svarbiausia užuomina atsirado ne iš anksto suplanuotame „nušvitimo“ momente. Komanda pastebėjo, kad mėginiai, anksčiau stebėti elektroniniu mikroskopu, vėliau elgiasi kitaip nei likusi medžiagos dalis. Šis, iš pirmo žvilgsnio, šalutinis efektas ir atvėrė kelią idėjai, kaip labai tiksliai valdyti paviršiaus topografiją.

Procesas yra grįžtamas. Panaudojus tinkamą alkoholio pobūdžio tirpiklį, vanduo pašalinamas, o plėvelė sugrįžta į pradinę – lygią – būseną. Tai svarbu, nes be grįžtamumo sprendimas būtų labiau vienkartinis efektas nei praktiška platforma. Šiuo atveju kalbama apie paviršių, galintį pereiti tarp skirtingų būsenų, o ne visam laikui „įšalti“ viename vaizde.

Spalva čia atsiranda ne iš dažų, o iš struktūros

Šios medžiagos spalva kyla ne iš pigmentų tradicine prasme. Tyrėjai polimerą iš abiejų pusių padengė plonais metalo sluoksniais ir taip suformavo Fabry–Pérot tipo rezonatorius, kurie „atsirenka“ tam tikro ilgio šviesos bangas. Plėvelei brinkstant ar traukiantis, kinta jos storis ir šviesos interferencija, todėl keičiasi ir matoma spalva.

Toks sprendimas leidžia ne tik keisti atspalvį, bet ir transformuoti patį paviršiaus charakterį: vienu metu jis gali būti blizgesnis, kitu – matinis; kartais optiškai lygesnis, kartais ryškiau faktūruotas. Tai ypač įdomu, nes šiuolaikiniai ekranai puikiai atkuria spalvas, tačiau daug prasčiau perteikia fizinį paviršiaus „pojūtį“. Šiuo atveju tekstūra ir spalva ima veikti kartu – panašiai kaip gamtoje veikia galvakojų oda.

Tyrėjų komanda pademonstravo, kad šiuo metodu galima sukurti ne tik abstrakčius raštus. Pavyzdžiui, buvo suformuota miniatiūrinė reljefo kompozicija, kuri lygiame paviršiuje iš pradžių nematoma, o išryškėja tik aktyvavus vandeniu. Tai rodo, kad kalbama ne vien apie spalvinį efektą, o apie perėjimą nuo lygios plėvelės prie realios mikroreljefo struktūros.