Японцы создали парящий «ковер» из графита
Исследователи из Киотского университета создали материал на основе графита, способный устойчиво левитировать в магнитном поле — той самой силе, что заставляет некоторые вещества слегка отталкиваться от магнита. Результаты опубликованы в журнале Analysis & Sensing.
Диамагнитные материалы (так называют вещества с этим свойством) при достаточно сильном магните способны преодолевать гравитацию и буквально зависать в воздухе. Графит, из которого делают грифель карандашей, давно считается одним из лучших материалов для такой левитации в обычных условиях, и интерес к нему как к датчику слабых внешних воздействий только растет.
Почему графит раньше не левитировал стабильно
Долгое время мешала сама электропроводность графита — токи внутри материала гасили левитацию. Раньше пробовали покрывать частицы стеклом, чтобы заблокировать ток, и это действительно работало. Но у решения была своя цена — частицы под таким покрытием разворачивались в произвольные, случайные стороны, и из-за этого суммарная подъемная сила материала заметно слабела.
Решение нашла команда, которая вообще-то занималась другой задачей — созданием монокристаллических аналогов различных веществ из мелкодисперсных порошков, выравнивая микрокристаллы в одном общем направлении. Специализировались ученые на спектроскопии ядерного магнитного резонанса, но, столкнувшись с проблемой левитации графита, поняли, что накопленный ими опыт вполне способен помочь решить эту головоломку.
«Меня привлекло явление диамагнитной левитации, поскольку оно показалось мне несколько нелогичным и даже экзотическим, — говорит ведущий автор исследования Казуюки Такеда. — Меня забавляет объект, бесшумно парящий без какого-либо активного воздействия, в отличие от птицы, машущей крыльями».
Как удалось выровнять частицы графита
Команда уже умела выстраивать диамагнитные частицы в одном направлении — фокусируясь на энергии, зависящей от ориентации частицы, и создавая магнитное поле с выгодным энергетическим минимумом, который разворачивал частицы нужным образом, будто выстраивая их по невидимой команде.
Чтобы применить этот метод к графиту, ученые сначала химически нанесли на каждую частицу тонкий слой стекла, чтобы заблокировать проводимость, затем смешали частицы с вязкой водой в суспензию и залили эту смесь в форму со сверхпроводящим магнитом. Чашку вращали с точно подобранной скоростью, чтобы вязкость жидкости и сила магнитного поля совместно выстроили частицы в одном общем направлении, а затем дали суспензии медленно высохнуть, превратившись в твердую тонкую пластину.
Так получилось гибридное вещество на основе графита, где частицы одновременно изолированы друг от друга стеклянным слоем и при этом аккуратно выровнены.
Как отмечают авторы, при проверке диамагнитных свойств пластина показала стабильную левитацию над постоянными магнитами. Подавленная электропроводность позволила ей подолгу плавно колебаться в воздухе, почти не теряя энергию, напоминая миниатюрный ковер-самолет, зависший над столом.
Неожиданный побочный эффект — датчик землетрясений
Исследователи планируют связать эту разработку с новыми методами обнаружения на основе ядерного магнитного резонанса и магнитно-резонансной томографии, то есть МРТ. Уже сейчас левитирующий материал показал себя многообещающей платформой для сенсорных приборов, способных улавливать слабые внешние воздействия там, где обычные датчики бессильны.
«Во время записи движения левитирующей плиты произошло настоящее землетрясение. Когда она покачивалась вверх и вниз, мы зафиксировали огромный импульс, — рассказывает Такеда. — Это непреднамеренно стало нашим первым событием, позволившим нам зафиксировать землетрясение».
Получается, обычный кусочек графита, левитирующий над магнитом, случайно превратился в чувствительный прибор, способный улавливать колебания земной коры — открытие, которого никто из команды изначально не планировал.
