Конденсатор с хитрыми обкладками
У любого конденсатора есть важный параметр — предельное рабочее напряжение. Если приложить к конденсатору большее напряжение, произойдёт пробой — резкое возрастание тока. Для некоторых видов конденсаторов это необратимо: они выходят из строя. Среди конденсаторов, которые при разумном ограничении мощности источника напряжения способны пережить пробой, наиболее широко применяются металлоплёночные конденсаторы — полимерная плёнка, как правило, из полипропилена или полиэтилентерефталата толщиной 3—10 мкм, на обе поверхности которой напылён слой Al или Zn толщиной 5—40 нм. Сопротивление квадратного участка такой плёнки составляет от 5 до 20 Ом, и часто им пренебрегают. Однако для систем накопления энергии его величина важна, потому что при заряде и разряде конденсатора на сопротивлении электрода выделяется энергия из-за протекания тока (джоулевы потери). Казалось бы, можно напылить слой металла толще, и тогда сопротивление и соответственно потери уменьшатся, но при этом исчезнет способность конденсатора пережить пробой. Дело в том, что при пробое выделяется большое количество теплоты, из-за чего вокруг области пробоя тонкая плёнка металла испаряется и образуется непроводящая зона, изолирующая эту область. А на распыление более толстой плёнки энергии, выделяющейся при пробое, может не хватить.
Профессор О. А. Емельянов из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого обратил внимание на тот факт, что плотность тока в плёнке не одинакова по всей её площади. Например, она максимальна в области ввода тока в конденсатор, а в глубине конденсатора становится меньше. И делая плёнку металла несколько толще там, где ток больше, и тоньше там, где ток меньше, можно существенно уменьшить потери. Теоретический анализ нескольких выбранных для примера профилей сопротивления показал, что джоулевы потери уменьшаются в 2—3 раза.
Емельянов О. А. Джоулевы потери в металлоплёночных электродах с неоднородным распределением поверхностного сопротивления. Письма в ЖТФ, 2025, вып. 15, с. 18.
Золотые частицы и гамма-излучение
При лечении некоторых заболеваний применяется облучение. Мишень, например опухоль, может находиться на поверхности организма, но чаще она располагается внутри. Источник излучения может вводиться внутрь организма, но обычно он (рентгеновская трубка, ускоритель) находится снаружи. Возникает задача: попасть в нужное место и не зацепить излучением соседние ткани и органы. Одно из решений — ввести в мишень вещество, которое под воздействием излучения выделяет нечто, уничтожающее опухоль. Например, перед тем как использовать ионизирующее излучение, в опухоль вводят взвесь наночастиц золота. При облучении из частиц золота вылетают электроны с небольшой длиной свободного пробега, менее миллиметра. Но зато их много, и они разрушают опухоль. Попутно наночастицы золота приобретают положительный заряд. Такие положительно заряженные частицы тоже способны действовать на опухолевые клетки. Но сколь велик будет этот эффект в обычных для медицины условиях?
Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН задались вопросом, какая доля наночастиц золота окажется заряжена и каков будет потенциал их поверхности. Они построили соответствующие модели и провели расчёты для облучения гамма-квантами с энергией до 140 кэВ или до 6 МэВ от типичных медицинских рентгеновских установок, использующих рентгеновскую трубку или ускоритель. Изучалось изменение спектра гамма-излучения при прохождении через слой вещества с характерным для мягких тканей химическим составом, толщиной 7 см, что соответствует средней глубине залегания опухолей у человека.
Эти данные затем использовались для моделирования взаимодействия гамма-квантов с тканями и золотыми наночастицами с размером от 10 до 80 нм. Для расчёта была выбрана типичная терапевтическая доза ионизирующего излучения 2 Гр. Оказалось, что при таких условиях доля наночастиц, заряженных положительно, может достигать 1—10%, а поверхностный потенциал 100—300 мВ, что говорит о способности заметно влиять на биологические процессы в организме.
Азаркин М. Ю., Киракосян М. Р. Влияние ионизирующего излучения на электростатические свойства золотых наночастиц. Письма в ЖЭТФ, т. 122, вып. 9, с. 538.
Проволока, причём нано
Нанопроволоками называют проволоки диаметром менее 100 нм. Интерес к ним вызван общим движением в сторону миниатюризации техники. Кроме того, когда речь заходит о таких размерах, свойства материала начинают изменяться. Это усложняет задачу разработчика, однако даёт ему ещё один инструмент. Чтобы его использовать, надо уметь управлять характеристиками нанопроволок. Один из распространённых методов создания нанопроволок — выращивание в пронизывающих матрицу цилиндрических каналах, которые получаются облучением сплошной матрицы частицами с высокой энергией и последующим травлением. При этом можно сделать каналы разного диаметра. Кроме того, свойства нанопроволок зависят также от технологии изготовления (температуры, pH и др.) и последующего облучения ионами.
Микрофотографии образцов после облучения, сверху вниз — никелевые образцы, образцы из кубического кобальта, образцы из гексагонального кобальта. Размер поля изображения по горизонтали — 6 мкм. Фотографии из реферируемой статьи.
Научная группа из МГУ им. М. В. Ломоносова, МИРЭА, Курчатовского института (Москва) и Института электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург) изучила зависимость структуры и параметров нанопроволок диаметром 100 нм из ферромагнетиков — никеля и кобальта. Оказалось, что когда температура роста никелевых нанопроволок повышалась от 20 до 60°С (в технологии использовался гальванический процесс), намагниченность насыщения увеличивалась в 3 раза, коэрцитивная сила — в 2 раза. При росте нанопроволок из кобальта в электролите с pH = 3 получается кубическая решётка, при pH = 5 — гексагональная. При кубической решётке намагниченность насыщения была в 3 раза больше, чем при гексагональной, коэрцитивная сила была такой же. Магнитные параметры слабо зависели от ориентации поля. Облучение ионами аргона с энергией 15 кэВ сильнее всего влияло на нанопроволоки с гексагональной структурой, причём изменение было не монотонным — намагниченность насыщения и коэрцитивная сила сначала значительно росли, потом несколько уменьшались.
Загорский Д. Л. и др. Нанопроволоки из кобальта и никеля: зависимость структуры и магнитных свойств от условий получения и ионного облучения. ФТТ, 2025, вып. 7, с. 1337.
