Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Разница в кристаллах, выращенных на Земле и в космосе. NASA

Однако ожидаемого результата не было. Кристаллы не были похожи на шар. Причиной, вероятно, являлась вибрация, которую вызывали другие приборы и космонавты.

Также неожиданным стало большое содержание в образце пузырьков жидкости и газа, которые изначально были растворены в воде. В невесомости кристалл рос во все стороны и не вытеснял жидкость, как при наличии силы Архимеда и силы тяжести.

В США подобный эксперимент проводился на станции «Скайлэб». Выращивались кристаллы антимонида индия – материала, из которого в 1990‐х годах стали делать быстродействующие транзисторы. Но сначала в невесомости изучался процесс роста и осаждения.

Хотя результаты экспериментов не были ожидаемыми, это вызвало еще больший интерес ученых. На станции «Салют‐6» проводились исследования с растворами. Чтобы узнать, как двигаются жидкости разной плотности, космонавты смешивали спирт и глицерин. Эти процессы настолько интересны, исследования идут и сейчас. В невесомости ярко проявляет себя эффект Марангони, также известный как слезы вина. На полукруглых винных бокалах иногда можно заметить капельки спирта, которые как бы поднялись по стеклу, этот эффект связан с поверхностным натяжением. Если смешать разные жидкости, та, у которой поверхностное натяжение больше, будет сжиматься сильнее и перемещаться в сторону, где поверхностное натяжение ниже. В случае с бокалом рядом со стеклом спирт испаряется сильнее, и в этой области поверхностное натяжение смеси становится выше. Жидкость начинает притягивать к себе спирт из середины бокала. Более ярко этот эффект можно наблюдать, если сначала в воду насыпать чаинок, перца или других маленьких частичек, а потом капнуть мыла. Все частички побегут врассыпную к краю сосуда.

На Земле в обычной жизни эффект Марагони наблюдается редко, так как из-за силы тяжести он значительно слабее конвекции и перемешивания за счет разницы в плотности.

Для производства новых кристаллов, о которых мечтали техники и инженеры, использовался другой метод – осаждение из газовой фазы. По сути, процесс предполагал такое же соединение атомов друг с другом, только вещество было не растворено, а нагрето до газового состояния. Оно охлаждается при контакте с подложкой и конденсируется, выстраиваясь как еще один элемент кристаллической решетки. В невесомости процесс напоминает нанесение пленок, и, соответственно, можно было использовать те же установки.

На станции «Мир» проводился эксперимент «Пион». Космонавты Крикалёв и Арцебарский изучали, как вибрация от приборов станции и от действий самих космонавтов влияет на процесс создания монокристаллов.

Одним из первых экспериментов на борту стало выращивание кристалла, состоящего из соединения рубидия, серебра и йода. Материал обладает самой высокой ионной проводимостью при комнатной температуре и может накапливать заряд, из него можно делать конденсаторы и аккумуляторы высокой емкости. В наземных условиях удавалось получить кристаллы трех видов, и в каждом из них атомы серебра хаотично встраивались в решетку. В невесомости без влияния сторонних сил ожидалось получить структурно совершенный кристалл с еще более высокими параметрами проводимости.

На станции «Мир» выращивались высокочистые кристаллы оксида цинка. Это вещество очень часто используется в различных производственных процессах, но в основном в виде порошка – полупроводник, обладающий свойством при локальном повышении температуры на границах с кристаллом карбида кремния резко снижать сопротивление. Оксид цинка отлично подходит для создания ограничителей перенапряжения в электрических цепях – своего рода предохранителей. Чем чище кристалл, тем лучше выполняет задачу.

Более интересное применение оксида цинка изменило сразу целую кучу технологий. Он помогает в создании синих светодиодов. Светодиоды – отличные источники света: более экономичные, удобные и компактные, чем другие технологии. Однако легко сделать красный и зеленый светодиоды, а вот с синим цветом была проблема. А без него не сделать белого цвета для ламп освещения или разнообразия цветов для мониторов. Правда, образцы, сделанные на Земле, сильно перегреваются. В перспективе оксид цинка можно использовать при создании лазеров. Тогда кристалл должен быть не меньше 76 миллиметров. Арцебарский и Крикалёв выполняли эксперимент по созданию монокристалла в течение шести дней.

На установке «Галлар» на станции «Мир» по запросу создателей советской микроэлектроники выращивались кристаллы арсенида галлия. Этот полупроводник обладает высокой радиостойкостью и не дает сделанным из него компьютерам сбоить рядом с ядерными реакторами и в открытом космосе. В частности, из арсенида галлия делаются транзисторы, диоды, солнечные батареи. Есть дешевый аналог – кремниевые кристаллы, но они менее устойчивы к возникновению случайных электрических разрядов и дают больше паразитных сигналов, чего важно избегать при создании радаров. Однако производство арсенида галлия крайне дорогое. Кристаллы нужно выращивать в сверхглубоком вакууме на очень чистых (вплоть до атомной структуры) подложках. В 1990‐х годах вырастить достаточно крупный и чистый образец в космосе и на Земле стоило сопоставимых денег, но многие кристаллы получались неправильными. Сейчас технология производства усовершенствовалась, в том числе благодаря данным экспериментов на орбите, и хотя арсенид галлия в 100 раз дороже кремния, материал охотно приобретают и используют для улучшения качества микроэлектронных компонентов.

На шаттле Discovery этот же материал астронавты выращивали для американских компьютеров.

Если добавить к составу алюминий, кристаллическая структура не изменится, но уменьшится проводимость. Зато материал приобретет свойство отражать инфракрасное излучение. А если из него сделать тонкую пленку на чистом арсениде галлия, он будет задерживать движение электронов в полупроводнике, что усиливает чувствительность микроэлектронного оборудования на его основе. Однако сделать очень тонкий слой одного материала поверх материала с похожей атомной структурой без дефектов невозможно. Даже в невесомости это сложно из-за вибрации приборов, двигателей и деятельности космонавтов. В 1994 году на шаттле Discovery STS‐60 получились кристаллы земного качества, а в последующих экспериментах – в четыре раза более чистые образцы. Арсенид алюминия галлия создавали на отдельных спутниках. Одним из самых впечатляющих перспектив применения материала является создание искусственной сетчатки глаза.

Кристаллы йодида ртути, выращенные в космосе. NASA

На орбите выращивались кристаллы германия. Они обладают интересными оптическими свойствами: на глаз кристалл кажется непрозрачным, он не пропускает свет видимого диапазона. Зато инфракрасное излучение проходит через материал хорошо. Для него германий – как стекло для видимого излучения. Самое интересное, что это вещество обладает высоким коэффициентом преломления. Кристаллы активно используют в оптике для концентрации инфракрасного излучения в фиксирующих теплокамерах, телескопах, линзах, лазерах. От качества кристалла зависит, насколько хорошо он будет пропускать свет. В невесомости без факторов, изгибающих и искривляющих кристалл, он будет больше и качественнее. Однажды образец разросся так, что его пятьдесят минут не могли вытащить из специальной