Теории образования Земли, глубинное строение ее внутренних оболочек и другие вопросы мироздания > О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи в земной коре
О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи
Устьянцев Валерий Николаевич:
Вещество, которое может вызвать технологическую революцию
"Что, если я скажу, что существует материал, который может стать самым мощным в мире ракетным топливом с удельной энергией, в двадцать раз превышающей удельную энергию двигателей Space Shuttle? Или что этот же материал может стать первым в мире веществом, проявляющим свойства сверхпроводимости при комнатной температуре, и что, если данная технология будет реализована, это будет такой гигантский шаг вперёд, что компьютеры станут в тысячи раз мощнее, чем сегодня? Этот прорыв поможет нам, наконец, воплотить вековую мечту человечества о ядерной энергетике. Применение такого материала не только сделало бы нынешние энергетические установки более безопасными и эффективными, но и полностью преобразили бы такие отрасли, как медицина и транспорт. Впервые гипотеза о возможности существования такого вещества была выдвинута ещё в 1935 году. И с тех пор учёные, не жалея времени и сил, пытаются проложить пути к его созданию. Сегодня мы, возможно, стали на шаг ближе к созданию такого вещества.
Всё, как всегда и везде, начинается с водорода. Водород пронизывает всю Вселенную. Это самый распространённый из всех химических элементов – его молекула состоит всего из одного протона и одного электрона. Однако если водород в газовом состоянии – это элементарно простое вещество, то при переходе из одного состояния в другое его сложность возрастает многократно. Доказательство этому – колоссальное вращающееся образование диаметром 8 000 миль, располагающееся под облачными вершинами Юпитера – самый гигантский океан в Солнечной системе. Давления, образующегося в глубинах планеты, достаточно для того, чтобы нарушить связи между протонами и электронами и перевести элемент в новое необычное состояние: не в плазму, не в газ, а в жидкий металлический водород.
Ключевое слово здесь – металлический. Теория 1935 года предсказала, что при достаточно высоком давлении водород будет проявлять свойства металла, по мере распада молекул на составляющие части превращаясь в электрический проводник. Металлы также характеризуются ярко выраженным блеском и прочностью, другими словами, обычный прозрачный газообразный водород станет непрозрачным.
Но что отличает металлический водород, например, от расплавленного золота? Разница в том, что металлы имеют решётку на атомном уровне. Решётка формируется из ионов, окруженных свободно движущимися электронами. Металлический водород не в состоянии сформировать такую решетку, так как у водорода нет ничего, кроме одного протона, и поэтому для формирования решётки у него не хватает составных частиц. И именно по этой причине металлический водород получает множество уникальных свойств.
Считается, что водород в металлическом состоянии может быть метастабильным, другими словами, он остаётся металлическим даже при снижении давления до нормального уровня. Картина напоминает ту, когда для того чтобы превратить углерод в алмаз, необходимо приложить огромное давление, но, если после этого убрать давление, алмаз не превратится опять в углерод, а будет оставаться алмазом. Однако на практике метастабильность металлического водорода мы проверить пока не можем, так как на Земле нет образцов металлического водорода. Правда, в своё время группа учёных из Гарварда утверждала, что им удалось создать такое вещество в лаборатории, но искомый образец исчез до того, как можно было провести его дальнейший анализ. Нет необходимости говорить о том, что к заявлениям, сделанным этими учёными, следует относиться весьма критически.
Тем не менее в прошлом году в журнале Nature были опубликованы результаты новых, более перспективных исследований.
Вначале исследовательская группа приступила к экспериментам, применяя небольшое давление (измеряемое в гигапаскалях, ГПа) к образцу плотного водорода. Водород оставался прозрачным как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Как было сказано выше, отличительными особенностями металлов являются их блеск и непрозрачность. Однако, когда давление было увеличено до 300 ГПа, образец перестал быть прозрачным в видимом спектре. Затем давление на образец постепенно увеличивалось до 400 ГПа и выше, то есть в 4 миллиона раз больше земного атмосферного давления. Когда давление увеличилось до 425 ГПа, образец перестал быть прозрачным в инфракрасном спектре. Водород стал отражать свет, то есть получил новое свойство, и это заставило исследователей поверить в то, что образец плотного водорода перешёл в долгожданное металлическое состояние.
Фазовый сдвиг образца был обратимым, хотя у исследователей нет уверенности, что при давлениях выше 425 ГПа водород сохранил бы металлические свойства. Используя существующие технологии, измерения свойств образцов водорода в экстремальных условиях (например, под большими давлениями или при низких температурах) проводить практически возможно. По этой причине исследователи также не смогли измерить электропроводность образца – результаты таких измерений могли бы дать неопровержимые доказательства наличия металлического водорода. Даже вычислительные методы, прогнозирующие значения давления, при котором водород переходит в металлическое состояние, нельзя считать точными, так как мы не можем заложить в компьютерную модель необходимые поправки на квантовом уровне.
Тем не менее указанное исследование можно расценивать как лучшее доказательство того, что водород способен переходить в металлическое состояние. Если учёным действительно удастся создать металлический водород, такое вещество появится на нашей планете впервые в её истории. И это может произойти ещё при нашей жизни.
Основные проблемы, которые предстоит решить, будут касаться измерения параметров электрической проводимости и сопротивления металлического водорода. Это поможет понять, сможет ли этот элемент реализовать свой потенциал и, возможно, стать одним из самых ценных веществ на Земле.
Идеально было бы использовать металлический водород в качестве ракетного топлива, так как он лёгкий и занимает малый объём. Преобразование металлического водорода обратно в молекулярный водород позволит высвобождать огромное количество энергии, сопоставимое с той энергией, которая изначально потребовалась бы для создания металлического водорода, и это превратило бы металлический водород в сверхмощное горючее, которое сможет совершить революцию в ракетостроении. Для сравнения: удельный импульс (показатель того, насколько быстро ракетное топливо выбрасывается из задней части космического корабля, а также показатель эффективности космического снаряда) используемых в настоящее время ракет составляет около 450 секунд. Удельный импульс ракет на металлическом водороде оценивается в 1 700 секунд. Другими словами, выводимые на орбиту ракеты смогут иметь не две ступени, а всего одну, что позволит значительно увеличить полезную нагрузку ракет.
Таким образом, использование металлического водорода позволит нам более уверенно исследовать соседние миры и одновременно обеспечит долгожданный прогресс на нашей собственной планете – будут разработаны новые технологии хранения и передачи энергии, и кардинальные изменения претерпят устройства, которыми мы пользуемся в повседневной жизни. И, если исследования, подобные проведённым в прошлом году, продолжатся, теоретическая возможность создания металлического водорода превратится в практическую. Это открытие может стать одним из самых важных за всю историю человечества» (Hyhhhelhoff).
Устьянцев Валерий Николаевич:
Топливо с Луны для ядерных реакторов
Наука и новые технологии
2187
Харрисон Шмитт (Harrison Schmitt), один из побывавших на Луне в 1972 году астронавтов, прибывший на конгресс австралийского института физики, считает, что в течение ближайших 10-15 лет человечество вполне способно построить на спутнике Земли рудники для добычи чистого и безопасного ядерного топлива - изотопа гелия, известного как гелий-3, сообщает электронная версия австралийской газеты Sydney Morning Herald.
Данное вещество редко встречается на Земле, но на Луне его в избытке. Гелий-3 можно перерабатывать в безопасное и чистое ядерное топливо, которое может быть использовано в работе будущих термоядерных реакторов. По словам Шмитта, данные реакторы, более экологичные и мощные, чем существующие, понадобятся в скором времени для того, чтобы снабжать энергией увеличивающееся население Земли: «При росте населения планеты до 10-12 миллиардов человек к 2050 году и ожидаемом увеличении уровня жизни энергии потребуется в восемь раз больше, чем мы добываем сейчас».
Лунные шахты, доступные всем государствам, и добыча гелия-3 способны помочь в осуществлении перехода от ископаемого топлива к энергии ядерного синтеза, считает Шмитт. По его словам, грядущие исследования Луны и ее недр будут оплачиваться скорее международными инвесторами, чем налогоплательщиками.
Астронавт также рассказал о вполне реальных перспективах развития лунного туризма, описав место посадки «Аполло-17» как прекрасное место для отдыха: «Это долина, более глубокая, чем Большой каньон. Горы по ее сторонам поднимаются на высоту 2100 метров и сверкают бриллиантами в лучах солнца, более яркого, чем где-нибудь в Австралии». «Самое трудное - привыкнуть к тому, что солнце сверкает в черном небе», добавил Шмитт.
Крутые склоны гор, по его словам, обязательно привлекут искателей острых ощущений: «Кто-нибудь когда-нибудь попытается съехать с них на лыжах с покрытием вроде тефлонового».
Гелий-3 - вещество, которое можно эффективно использовать в разрабатываемых сейчас реакторах, работающих на принципах управляемого термоядерного синтеза. При сжигании одного килограмма гелия-3 выделяется 19 МВт энергии. Однако общее количество всего содержащегося в земных недрах вещества исчисляется лишь сотнями килограммов.
Анализы образцов лунных почв показали, что в поверхностном слое спутника содержится более миллиона тонн гелия-3. Главным источником его стал солнечный ветер. Входящие в состав гелия-3 элементы слабо связаны в лунном грунте, поэтому он начинает выделяться уже при нагреве выше 200 градусов Цельсия.
Лунные запасы потенциальной тепловой энергии более чем в десять раз превышают имеющийся сейчас у человечества ресурс ископаемого топлива.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Теория "запрещенной" химии.
«Я хочу поздравить всех двоечников, которые лили слезы на уроках химии, и разочаровать отличников, свято верующих в ее законы. Я задам вам один очень простой химический вопрос: какова формула хлорида натрия, то есть поваренной соли? Прям лес рук. Немного знающие химию люди ответят NaCl и будут абсолютно правы. Но есть одна теория, согласно которой могут существовать соединения типа Na2Cl, NaCl3, NaCl5, NaCl7 и многие другие. В декабре 2013 года вышла статья под руководством Артема Оганова, в которой дано не только теоретическое предсказание существования таких соединений, но и экспериментальное их подтверждение и получение. Вы можете задать очень точный, многогранный и животрепещущий вопрос: "Че?". Именно на него я и собираюсь дать развернутый ответ. Ну а также расскажу вам немного о запрещенной химии, о том, как работает эволюционный алгоритм, что с помощью него удалось найти, как меняются свойства атомов под давлением, какой элемент самый инертный (гелий? пффф), как объяснить нарушение химических правил и про практическую пользу этих соединений Н
ачнем с азов химии. Представления о валентности позволяют из простых соображений предсказать, сколько связей атом будет образовывать. Ну или иными словами, сколькими руками он сможет вцепиться в другие атомы. Не всегда это точно работает, но более или менее мы знаем, сколько электронов каждый атом использует для образования химической связи. Благодаря этому мы можем предсказать во многих случаях химические формулы вещества. Например, почему оксид кремния - SiO2, а не SiO4. Рассмотрим два элемента — натрий и хлор. Натрий содержит на внешней электронной оболочке всего 1 электрон. Хлору же не хватает именно 1 электрона, чтобы заполнить эту электронную оболочку, тем самым принять устойчивую форму. Поэтому хлор пытается этот электрон откуда-то раздобыть. Когда натрий и хлор встречаются, самое естественное, если натрий отдаст свой электрон хлору. Натрий приобретет заряд +1, хлор приобретет заряд -1, и единственный способ, единственная пропорция, в которой эти два элемента могут сочетаться, — это один к одному, иначе электрической нейтральности не будет. Но при давлениях, начиная с 20 гигапаскалей (ГПа), это 200 тысяч атмосфер, начнут образовываться соединения, которые полностью противоречат тому, что я только что сказал, и устойчивыми станут соединения Na3Cl, Na2Cl, Na3Cl2, NaCl3 и NaCl7 — такой вот букет соединений. Почему так происходит? Дело в том, что правила химии, которые мы знаем по учебникам, были сформулированы на основе анализа огромного массива экспериментальных данных при нормальных условиях. При нормальных условиях наиболее устойчивой формой вещества является та форма, у которой наименьшая энергии.
Влияние давления. Так вот, давление является дополнительным членом энергии, который в учет при нормальных условиях не брали - значение давления на нашей земле по сравнению с энергией связи слишком мало. И те правила, которые были рассчитаны только лишь на энергию, уже не действуют: надо учитывать плотность упаковки и многое-многое другое. Конечно же, речь идет не только о хлоридах натрия - практически в любой химической системе будут образовываться новые соединения, которые не поддаются традиционным правилам химии. Под очень высоким давлением образуются такие соединения как Mg3O2, K5Cl4, K3Cl5. Уверен, они вызовут когнитивный диссонанс у каждого учителя химии, а может и сердечный приступ. Так, под давлением в 1 млн. атмосфер кислород становится сверхпроводником, а натрий при 2 млн. атмосфер перестает быть щелочным металлом, становясь прозрачным диэлектриком.
Что происходит при таком большом давлении? Сейчас попробую объяснить. Учителя химии в школе и университете говорят, что остовные (внутренние) электроны не важны, важны только валентные (внешние). Теперь разберем, о чем я. За пару минут придумал интересную аналогию электронной конфигурации атома. Секите: Представьте, что атом - это футбольное поле. Болельщики (внутренние, остовные электроны) участия в самой игре не принимают: они просто сидят, существуют, при этом не оказывая никакого влияния на игру футболистов (внешних, валентных электронов). Так вот, при нормальных условиях все именно так. Но под давлением атомы настолько сильно наезжают друг на друга, что остовы (болельщики) начинают перекрываться, выталкивают валентные электроны (футболистов) пинками. Когда остовы перекрываются, валентному электрону ничего не остается, как убежать в пустое пространство и закрыться там наглухо (себе в раздевалку). И вот эти жестко локализованные валентные электроны уже не могут двигаться, не могут прыгать. Они закрыты в узком пространстве и только там могут жить. Именно поэтому натрий перестает быть металлом, так как электроны в нем не передают электрический ток. Но стоит заметить, что запрещенная химия возникает не только при высоких давлениях, но и при любых других экстремальных условиях.
Структура соединений. В зависимости от способа расположения атомов свойства веществ будут разные. Например, углерод имеет 2 аллотропные модификации: графит - черный, сверхмягкий полуметалл, и алмаз - прозрачный, сверхтвердый полупроводник. Без понимания и прогнозирования структуры мы не поймем свойства соединений. Кристаллическую структуру веществ определяют с помощью рентгеновских лучей, длина которых сопоставима с размерами атомов. Лучи, взаимодействуя со структурой кристалла, отражаются и отклоняются на строго определенные позиции. Благодаря этому с помощью интересной математики можно определить, где в пространстве находятся атомы.
Определение структуры кристаллов с помощью дифракции.
Израильский физик и химик Дан Шехтман опубликовал статью, в которой написал про то, что есть вещества без периодической повторяемости структуры. Его уволили, сказав, что нужно лучше знать кристаллографию. Как оказалось, он открыл новое состояние вещества - квазикристаллическое. Через 30 лет, как его уволили, он получил Нобелевскую премию. Сплав алюминия, кобальта и никеля как раз является квазикристаллическим.
Мы можем научиться предсказывать структуры веществ. Когда вы ищите наиболее устойчивую структуру, вам нужно перебрать всевозможные способы расположения атомов в пространстве, и найти тот, который обладает наименьшей энергией, т.е. наибольшей стабильностью. Этих способов - астрономически много. Число способов увеличивается экспоненциально с увеличением числа атомов. Итак, нужно изобрести способ, который не перебирал бы каждый из возможных способов, а напрямую шел к правильному решению. Такой способ нашли, используя эволюционный алгоритм (ниже я объясню, что это) и квантовомеханические расчеты (а это не объясню, ха-ха) и называется он USPEX - Universal structure prediction: evolutionary Xtallography. С помощью решения уравнения Шредингера и эволюционного метода мы можем найти ту самую злосчастную иголку в стоге сена, то есть найти самое лучшее решение из триллионов и триллионов возможных вариантов.
Эволюционные алгоритмы. Эволюционный алгоритм - это своего рода искусственный интеллект, сила которого в том, что он учится на своей собственной истории. Что эволюционный алгоритм делает? Он не пытается постучаться во все двери, отметиться во всех точках. Он ощупывает всю область, прикидывает, где наиболее перспективные решения и максимум внимания посвящает именно им, тем самым шаг за шагом сужая область поиска и приходя к оптимальному решению. Не надо миллиардов решений - достаточно сотен. Благодаря этому алгоритму можно определить структуру соединений. А это вам не хухры-мухры. Алгоритм расширили. Задали в него имена химических элементов: марганец и бор. Провели расчет - получили Mn2B, MnB, MnB4. Все эти соединения давно известны. Их структуры были правильно предсказаны одним расчетом. Но еще было предсказано соединение MnB3, который никто экспериментально никогда не видел. Теория предсказала что-то лишнее или экспериментаторы почему-то не заметили это соединение? Чтобы проверить, кто прав, посоветовали одному экспериментатору смешать 1 долю марганца и 3 доли бора, расплавить, охладить, и о чудо - получили MnB3 со структурой, которую предсказали. Таким же образом получили соединения Ca2C3 и Mg2C3. Но вот под давлением возникает масса новых соединений с крайне странными составами, например Ca5C2.
Необычные полученные данные. Большинство элементов становятся металлами под давлением. Могут возникать такие соединения как AlO2, Al4O7. Mg3O2, MgO2 и другие. Никель ведет себя как благородный газ, превращаясь в неметалл. Железо и кобальт становятся акцепторами электронов, то есть получают возможность принимать электроны. Должно появиться соединение MgFe, что может послужить началу нового типа соединений - ферридов. Натрий становится самым реакционно-способным элементом, даже сильнее цезия. Что самое удивительное: натрий - единственный элемент, который может прореагировать с гелием. Под давлением он образует устойчивое соединение Na2He. Это соединение является прозрачным диэлектриком, что было подтверждено экспериментально. Ну а самым инертным соединением станет неон, для тех, кто интересовался.
Польза запрещенной химии. Имхо, запрещенная химия - это наше будущее. Химия вступила в цифровую эпоху - новые вещества и их свойства теперь открывают не в пробирке, а с помощью искусственного интеллекта. Это не только оказалось быстрей и дешевле, но и привело к революционным открытиям. В наше время уже получили соединение бора, которое является одним из самых прочных веществ, известных человечеству. При снятии давления - оно остается, не распадается и его можно использовать. Проблема хранения фтора до сих пор не решена. Перевозить фтор в контейнерах - очень опасно, так как он крайне токсичен и разъедает большинство контейнеров. Благодаря запрещенной химии появляются соединения типа CsF2, CsF3, CsF5, которые содержат больше фтора и которые можно спокойно отправить из точки А в точку Б. Эти и многие другие соединения находят широкое применение в производстве и в научных сферах деятельности человека. Интерес к запрещенной химии не только фундаментальный, но и вполне прикладной.
Заключение.
Хочется сказать вот о чем - экспериментируйте. Как только человек выходит из зоны комфорта, из зоны, в которой все хорошо известно, из зоны привычных условий в непривычно экстремальные условия, то традиционные правила и устои рушатся. Человек всегда стремится к изучению нового, доселе неизведанного. Это и есть развитие, рост, прогресс. Не важно, кем вы являетесь: офисным работником, артистом или ученым, - важно лишь то, как вы расширяете для себя границы познания нашего с вами прекрасного и таинственного мира. Источник: http://[домен telegraph у нас запрещен:(]/Teoriya-zapreshchennoj-himii-12-10.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Американские геологи нашли основной источник гелия-3 на Земле
Максим Борисов
close
100%
Согласно новому исследованию, проведенному американскими учеными из Университета Нью-Мексико, присутствующий на Земле гелий-3 — редкий изотоп гелия, который в природе встречается почти исключительно в форме гелия-4, — просачивается главным образом из ядра планеты. Поскольку почти весь гелий-3 образовался в результате Большого взрыва, это просачивание газа свидетельствует в пользу теории образования Земли во внутренней, а не внешней части исходной солнечной туманности. Статья об этом опубликована в журнале AGU Geochemistry, Geophysics, Geosystems.
Гелий-3 встречается на поверхности Земли в ничтожных количествах, однако прежде ученые не знали, сколько его прибывает из ядра планеты, а не из более верхних слоев — из мантии. Новое исследование указывает на то, что основным источником гелия-3 на Земле является все же именно ядро. Некоторые естественные процессы могут генерировать некоторую часть гелия-3 — например, радиоактивный распад трития, — однако основная часть гелия-3 сохранилась со времен протопланетной туманности — обширного вращающегося газопылевого облака, из которого возникла Солнечная система. Поскольку гелий считается одним из первоначальных элементов, образовавшихся во Вселенной, большая часть гелия-3 также восходит к Большому взрыву.
Из земных глубин ежегодно просачивается около 2 кг гелия-3, этого «достаточно, чтобы наполнить воздушный шар размером со стол», как пояснил ведущий автор исследования Питер Олсон, геофизик из отдела наук о Земле и планетах Университета Нью-Мексико в Альбукерке. Удалось смоделировать поведение гелия в ходе двух ключевых этапов земной истории — первоначального ее формирования, когда планета еще накапливала гелий, — и последующего рождения Луны, образовавшейся из обломков столкнувшегося с Землей объекта размером с Марс около 4 млрд лет назад. Повторное расплавление земной коры привело к улетучиванию из нее большей части гелия, поэтому, опираясь на современную скорость утечки гелия-3, ученые смогли указать его источник и оценить его общее количество: по этим оценкам в ядре содержится от 10 тераграммов (1010 кг) до петаграммов (1012 кг) гелия-3. Столь огромное количество He3, по словам Олсона, и указывает на формирование Земли внутри солнечной туманности, где относительно высокая концентрация гелия позволила ему накопиться в глубинах планеты.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Несмотря на то, что нефть залегает в различных геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах, что указывает на едины мантийный источник ее образования.
Этот факт указывает на единый источник энергии, - стационарный энергетический центр первого рода (СЭЦ), который ответстсвенен за синтез минерального сырья.
Из области ядра, исходит волна энергии, под воздействием которой вещество и его структура, подвергается преобразованию на атомарном уровне.
Закономерно-стабильное соотношение углерода и водорода (С/Н) на всех месторождениях нефти и газа мира, есть надежный показатель мантийного происхождения нефти и газа.
Состав вещества мантии, - углистые хондриты.
Нефть (пары нефти), - синтез происходил в условиях мантии системы Земли, имеет стабильное среднее соотношение: C/Н = 6.47, n = более 50.
Навигация
Перейти к полной версии