Погоня за взрывчатками: от растений до тротила

Кизил канадский является самым быстрорастущим цветком на земле. В период цветения он буквально взрывается, выпуская свою пыльцу быстрее, чем винтовка выпускает пулю – фактически в три раза быстрее. Благодаря своему «взрывному» цветению растение было занесено в Книгу мировых рекордов Гиннеса.

«Это так неожиданно, – признается Джоан Эдвардс, ботаник, который помог обнаружить быстроту цветения кизила. – Вы думаете, что растения ничего не могут делать быстро, а здесь цветок делает это настолько быстро, что вы даже не можете обнаружить это невооруженным глазом».

Профессор Эдвардс из колледжа в Вильямстауне, штат Массачусетс, является одним из трех исследователей, специализирующихся на исследовании разного рода взрывов. В то время как Эдвардс изучала, как цветок использует «взрывное» преимущество в вопросе размножения, другой ученый сконцентрировал свое внимание на обеспечении безопасности людей от взрывов настоящих бомб. Между тем третий эксперт поставил вопрос о продуктивном использовании взрывов при работе в шахтах.

Несмотря на то, что эти три исследователя связаны с различными по характеру занятиями, всех их восхищает это быстрое и мощное явление.

Ба-бах!

Для Эдвардс все началось во время ее исследовательской поездки в национальный парк на острове в озере Верхнем, расположенном к югу от канадской границы. Одна из ее студенток обратила внимание на крошечные белые цветы кизила канадского, обычного растения, которым покрыта половина лугов и лесов северной части континента.

«Она потянулась понюхать цветок, – вспоминает Эдвардс, – но резко отстранилась и сказала: «Что-то взорвалось!». В течение следующих двух дней, Эдвардс регулярно снимала на камеру «взрывы» цветка, пытаясь выяснить, как это происходит. Но цветы распускались так быстро, что она не могла проследить, как это происходит. Тогда Эдвардс взяла несколько цветков с собой в машину, чтобы более детально изучить их в лаборатории.

Цветок канадского кизила взрывается в этих девяти кадрах, каждый из которых занимает лишь 1/10000 секунды. Фото с сайта sciencenewsforkids.org

Эдвардс с мужем, который сопровождал ее в поездке, совершив турне по Канаде, вернулись домой. Биолог со смехом вспоминает, как предупреждала мужа: «Не говори пограничникам, что мы взрывали растения».

Как выяснилось, движение автомобиля вызвало новые многочисленные «взрывы» цветов, и Эдвардс вернулась домой с обширным материалом для исследования.

Сначала ученая пыталась запечатлеть «взрывы» цветов с помощью видеокамеры, которая делала 1000 кадров (или изображений) в секунду. Но у нее получились лишь размытые фотографии. Камера оказалась недостаточно быстрой. Поэтому Эдвардс воспользовалась другой камерой, которая делала уже 100000 кадров в секунду. Это сработало, и она вскоре обнаружила, что цветы «взрываются» в промежуток времени меньший, чем половина миллисекунды. Миллисекунда – это тысячная доля секунды. Для сравнения, мигание глаза совершается за 400 миллисекунд.

Глядя на быстро распускающиеся цветки под микроскопом, Эдвардс также обнаружила, что один лепесток в каждом цветке немного двигается. «Если вы просто отогнете это лепесток в сторону, весь цветок взорвется и выпустит свою пыльцу в воздух», – объясняет она.

Объединив усилия с физиком из колледжа Уильямса, Эдвардс определила скорость пыльцы и максимальную высоту ее выброса. Ученые также смогли установить, как цветочная система собирается вместе, чтобы создать идеальную катапульту. Они обнаружили, что муравьи не обладают достаточным весом для того, что вызвать «взрыв», зато таковым обладают пчелы и жуки. Каждый «взрыв» опрыскивает насекомых пыльцой до того, как они направляются к следующему цветку.

«Это очень умный способ распространения пыльцы цветком, – объясняет Эдвардс. – Пчелы передвигаются быстрее, чем муравьи. Таким образом, растение выбирает более тяжелых и быстрых насекомых для переноса своей пыльцы».

С тех пор ученая исследовала еще несколько «взрывных» растений, таких как недотрога обыкновенная и мох сфагнум. Тем не менее, канадский кизил навсегда остался ее «первой любовью во взрывном мире растений».

Ботаник Джоан Эдвардс в Королевском островном национальный парке в Мичигане, где она впервые заметила «взрывы» цветов канадского кизила. Фото с сайта sciencenewsforkids.org

Как предотвратить взрыв

Конечно, не все взрывы происходят для размножения растения. Многие из них опасны и разрушительны. Инженер-химик Ян Юй работает над тем, чтобы оградить людей от таких взрывов.

Исследователь из Университета Делавэра создал устройство, которое помогает обнаружить следы тринитротолуола (см. «ny tro TOL yu een»), более известного как тротил. Это химическое вещество является взрывчаткой, используемой в бомбах и минах. Устройство Яна обнаруживает следы тротила в воздухе, прежде чем взрывчатое устройство, в составе которого находится тротил, активируется.

Такая способность полезна в поиске взрывчатых веществ на заброшенных минных полях или в закрытом багаже во время регистрации в аэропорту. Сегодня обычные детекторы могут легко пропустить незначительное содержание тротила на открытом воздухе. Устройство Яна позволяет выделить и проследить совсем небольшое количество находящихся в воздухе частичек тротила задолго до той точки, когда начнет чувствоваться слабый запах вещества.

Инженер-химик Ян Юй использует кристаллы цеолита, которые содержат микроскопические отверстия, выполняющие функции сита для улавливания молекул тротила. Фото с сайта sciencenewsforkids.org

Чтобы реализовать свою идею, автор использовал цеолит, кристаллический минерал, который содержит большое количество микроскопических отверстий. Хотя цеолит может формироваться естественным природным образом, и его можно добывать как полезное ископаемое, Ян решил создать искусственный цеолит. Тем самым он смог задать крошечным отверстиям точные размеры для фильтрации молекул тротила из воздуха.

«Цеолиты, действуя как молекулярное сито, могут отделить молекулы точнее, – объясняет Ян. – Они отделяют молекулы по их размеру». Так, молекулы кислорода, азота и углекислого газа, находящиеся в воздухе, пройдут, и останутся только молекулы тротила.

Чтобы создать свой прибор, фильтрующий и концентрирующий тротил, Ян сначала покрывал пористый цилиндр из нержавеющей стали тонким слоем цеолита. Затем он прикрепил к нему крошечный вакуум, чтобы всасывать воздух в большом количестве. Цеолитная пленка цилиндра захватывает все молекулы тротила, содержащиеся в воздухе, повышая их концентрацию в 1000 раз в минуту.

Самым сложным в этом проекте, как объясняет Ян, было разработать рецепт изготовления цеолита с нужным размером отверстий. Такая задача требует полного понимания химии. Ян также использовал математику, чтобы определить, какую форму сосуда лучше использовать для концентрации фильтруемых химических соединений.

Ян надеется, что его экспериментальное портативное устройство сможет однажды помочь службам авиакомпаний обнаружить взрывчатые вещества. Но не это было изначальной целью его работы. Напротив, это было исключительно научное любопытство. Как только Ян узнал, как сделать цеолитную пленку, он начал искать ей практическое применение. Инженер объясняет: «Ощущения такие, как будто у меня был молоток в руке, и я хотел найти работу для него».

Бум!

Если бы у Бибху Моханти в руках был молоток, он бы его использовал для разрушительного удара. Горный инженер университета в Торонто использует взрывы, чтобы разбивать скалы. Эти взрывы помогают при добыче золота, никеля, железа и других ценных металлов.

Моханти говорит, что ему нравится использовать энергию взрыва для «полезной работы». Точные и тщательные взрывы, проводимые им, использовались по всей гористой территории северной провинции Онтарио.

Ключ к проектированию взрывов, по словам Моханти, – это, прежде всего, правильное составление пропорции топлива (например, угля) с окислителем (например, кислородом). Задача состоит в том, чтобы сделать реакцию двух реагентов взрывопредсказуемой. В качестве примера можно привести зажигание свечи. Воск свечи поставляет углерод, который горит, находясь в контакте с кислородом, содержащимся в воздухе. Однако чтобы создать взрыв, как говорит Моханти, «топливо должно гореть очень быстро». В результате взрыва, как он объясняет, реакция происходит более чем в миллион раз быстрее, чем при горении свечи.

Такое сверхбыстрое, но контролируемое сжигание создает очень сильные волны давления. Эти волны во много раз мощнее, чем даже самые крепкие горные породы. Поэтому взрывы, контролируемые Моханти, могут уничтожить любую горную породу, препятствующую добыче полезных ископаемых.

Он также может подстроить взрыв. Регулируя как вид взрывчатого веществ, так и его количество, он может создать такие волны давления, которые отколют горную породу нужных размеров, чтобы впоследствии ее можно было увести и переработать. Для каждой породы используются отдельные виды взрывчатых веществ. Чтобы разбить гранит, к примеру, Моханти должен создать более мощный взрыв, чем он использует для взрыва известняка.

Чтобы работать со взрывами, инженер должен разбираться в геологии – науке о строении и структуре Земли – он должен предвидеть, как отдельные породы будут разрушаться: рассыпаться в щебень или распадутся на мелкие валуны.

По словам Моханти, больше всего ему помогают его знания в области физики (знание природы и свойств материи и энергии) и машиностроения (проектирование, строительство и использование двигателей, машин и сооружений). Например, для раскалывания отдельных горных пород, возможно, продуктивнее будет использовать серию мелких взрывов, а не один большой взрыв. Понимание Моханти физики ударных волн помогает ему определить, как рассчитать каждый взрыв для получения нужного эффекта. Его инженерные знания помогают, когда речь идет о планировании размеров, месторасположения и количества отверстий, в которые будет закладываться взрывчатка. И, наконец, он опирается на все свои знания и опыт, чтобы обеспечить безопасность взрывов для зданий и людей.

Так, Моханти никогда не был связан с опасными для жизни взрывами. Он говорит, что, находясь далеко от места взрыва, он все равно его полностью контролирует. Взрыв может разбросать горные породы на большие расстояния. А давление взрывных волн может разбить окна, порвать барабанные перепонки и даже разорвать легкие.

«Ни один взрыв не может быть по-настоящему безопасным», – предупреждает он. Если, конечно, мы не говорим о «взрывах» канадского кизила.