Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №19/2004

НОВОСТИ НАУКИ

Замороженные звуки

Прежде чем изложить суть недавно открытого эффекта, обратимся к художественной литературе. Фантазия писателей, далеких от физики и химии, даже в средние века, когда эти точные науки только зарождались, опережала научные открытия. Известная фраза «сначала было слово» могла бы в рамках предлагаемого очерка означать, что сначала была мысль.

Сатирический, полный юмора роман французского писателя и ученого-гуманиста Ф.Рабле (1494–1553) «Гаргантюа и Пантагрюэль» более 450 лет входит в сокровищницу мировой литературы. Не буду излагать его содержание, поскольку роман с иллюстрациями Г.Доре по меньшей мере трижды – в 1901 г., 1956 г. и 1987 г. – издавался на русском языке.
Путешествуя весной на корабле близ границы Ледовитого океана, герои повествования услышали звуки, которые, как оказалось, зимой застыли, а при потеплении оттаяли. «Давайте поищем, нет ли тут слов, которые не оттаяли», – предложил один мореплаватель. «Вот они, – сказал Пантагрюэль и бросил на палубу целую пригоршню замерзших слов, похожих на разноцветные леденцы».
«Одно довольно крупное слово, когда брат Жан согрел его в ладонях, вдруг лопнуло, словно каштан, когда его бросают в горячую воду». Однако путешественники недолго занимались размораживанием. Поскольку среди оттаявших слов было много ругательств, а «на корабле и без того в ругательствах нет недостатка», все собранные слова выбросили за борт.
Совсем по-иному описал застывшие звуки видный индийский писатель и общественный деятель Рабиндранат Тагор (1861–1941). В его рассказе «Голодные камни» описан заброшенный мраморный дворец, камни которого по ночам воспроизводили давно прозвучавшие мелодии и слова.
Приведу небольшой отрывок из рассказа. «Когда-то дворец был местом, где разыгрывались страшные человеческие драмы, – здесь бушевали страсти, пламя неудовлетворенных желаний жгло сердца и в зловещем огне непрестанных наслаждений сгорали человеческие души. Сколько проклятий слышали эти стены – проклятий тех, на чью долю выпали страдания, чьи надежды были разбиты, чья страстная любовь осталась безответной. Камни дворца впитали эти проклятия, и теперь, голодные и жаждущие, как чудовище, которому долго не давали есть, они жадно бросаются на каждого, кто осмеливается приблизиться к ним».
Человек, от имени которого велся рассказ, сумел спастись, хотя его история осталась неоконченной.
Рассказчик вместе с Тагором перефразировал строчки Шекспира: «На земле и в небесах есть много вещей, друг Горацио, о которых не сообщается в ваших газетах». В лучшем переводе на русский язык слова Гамлета звучат так:

«Есть многое на свете, друг Горацио,
Что и не снилось нашим мудрецам».

К этому многому, что и не снилось, что казалось совершенно невероятным, относится и недавнее открытие.
В технике уже довольно давно используют слегка желтоватые монокристаллы ниобата лития LiNbO3. Это удивительно «талантливый» материал: сегнетоэлектрик (его диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, температуры и предварительной поляризации), пьезоэлектрик (при механическом воздействии на его противоположных гранях появляются электрические заряды, а под действием внешнего электрического поля он сжимается или растягивается), пироэлектрик (способен самопроизвольно поляризоваться при нагревании или охлаждении).
Кристалл содержит особые микроскопические области – сегнетоэлектрические домены, различающиеся по направленности поляризации. Размеры доменов 10–7–10–5 м, или 0,1–10 мкм. Воздействуя электрическим полем, домены можно перемещать по кристаллу, в сильном поле направление поляризации всех доменов можно сделать одинаковым (кристалл становится монодоменным). При повышении температуры до определенной величины способность поляризоваться и образовывать домены пропадает. У ниобата лития эта температура (точка Кюри) очень высока и составляет 1210 °С.
Поляризация возникает в результате несовпадения «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в кристалле, небольшого и согласованного смещения ионов из положения, при котором заряды полностью компенсируют друг друга.
Химики и материаловеды немало потрудились, чтобы освоить производство довольно капризных монокристаллов этого вещества. Получают его взаимодействием карбоната лития Li2CO3 c оксидом ниобия(V) Nb2O5 при температуре несколько выше 1000 °С. Недогреть при синтезе нельзя: реакция не дойдет до конца. Перегревать тоже опасно: оксид лития заметно более летуч, чем оксид ниобия, и стехиометрия вещества нарушается. Последнее особенно заметно при получении монокристаллов, которое ведут методом Чохральского (см.: «Химия», 1999, № 9) из расплава при температурах выше 1300 °С.
Ниобат лития, согласно «Химической энциклопедии», широко используется в технике в качестве преобразователей энергии и звукопроводов (линии задержки, полосовые фильтры), элементов модуляторов, дефлекторов в электрооптике, модуляторов лазерного излучения, пироэлектрических приемников лучистой энергии. Например, качество изображения цветных телевизоров зависит от фильтров, убирающих посторонние сигналы (шум). А основой таких фильтров являются пластинки из ниобата лития.
Оказывается, ниобат лития способен запоминать звуки. Новую и неожиданную форму памяти кристаллов обнаружили физики из университета Миссисипи (США) М.Мак-Ферсон, И.Островский и М.Бризил. Снабдив пластинку ниобата двумя акустическими преобразователями, с одной стороны пластинки для ввода звуков, а с другой – для вывода, и проведя измерения, они обнаружили, что звук задерживается в кристалле. После подачи на вход импульсного звукового сигнала на выходе возникает своеобразное эхо, словно звенит колокольчик, звуки которого постепенно затухают. Продолжительность задержки была небольшой, всего 70 микросекунд, при температуре выше 75 °С эффект не обнаруживался, но при более низких температурах он воспроизводился.
Звуковая волна, как предполагается, сжимает кристалл и вызывает смещение ионов. Процесс похож на сжатие стальной пружины. После прохождения волны ионы стремятся занять прежние позиции, запасенная энергия смещения превращается в звуковые волны. Наличие границ доменов замедляет процесс, причем домены разной величины «звучат» по-разному. Сжатая пружина разжимается не сразу, а отдельными толчками.
Предполагается, что величина эха зависит от концентрации доменов и что эффект можно будет использовать для определения качества кристаллов. Какова действительная природа эффекта, еще предстоит выяснить. Быть может, камни действительно заговорят?

Э.Г.РАКОВ