Разгадана библейская загадка о мерах зерна и воздаянии

Физики и математики из Австралии нашли способ максимально плотно упаковывать зерна пшеницы, вытянутые капсулы лекарств или наночастицы, последовав тем самым притче о воздаянии из Библии, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

"В Евангелии от Луки есть следующая строчка "Давайте, и дастся вам: мерою доброю, утрясенною, нагнетенною и переполненною отсыплют вам в лоно ваше; ибо какою мерою мерите, такою же отмерится и вам". Этот стих упоминает все те вещи, которые мы делали в лаборатории: сжимали, трясли и отсыпали. Конечно, я не уверен, что авторы Библии имели в виду то же самое, что и мы", — шутит Мохаммед Саадатфар (Mohammad Saadatfar) из Национального университета Австралии в Канберре.

Тем не менее, признает физик, Библия поставила одну из главных и пока не решенных задач математики, физики и химии — то, как можно разместить зерна пшеницы или любые другие продолговатые структуры, чтобы они были максимально плотно и прочно упакованы. Решение этой задачи необходимо, в частности, для того, чтобы наиболее эффективно перевозить грузы, строить более прочные здания из песка и распределять наночастицы по материалам будущего.

Природа, как рассказывают ученые, давно решила эту задачу для кристаллов и сплавов — в их кристаллических решетках атомы упакованы максимально плотно. К примеру, атомы хлора и натрия в кристаллах обычной поваренной соли занимают свыше 74% пространства благодаря упаковке в так называемый гранецентрированный куб. Атомы внутри такого куба расположены так, что на каждой его стороне находится по пять ионов хлора и натрия.

Все попытки ужать зерно или наночастицы подобным образом проваливались — в лучшем случае ученым удавалось заставить их занимать примерно 64% от общего объема материала, образуя структуры случайной формы.

Саадатфар и его коллеги  решили выяснить, почему зерна нельзя ужать еще сильнее, изучая манеру упаковку наночастиц из полиакрила, которые физики насыпали в емкости разных размеров и формы — в цилиндры, шарообразные и прямоугольные чаши, и утрясали при помощи в генераторов вибраций.

Просвечивая эти структуры при помощи рентгена и компьютерного томографа, Саадатфар и его коллеги обнаружили, что они на самом деле носят не случайную форму, а организованы в наборы из пяти склеенных друг с другом пирамид, составленных из трех наночастиц. Структуры такого типа, как отмечают физики, не могут быть упакованы более плотно, если не заставить их превратиться в кубические кристаллы — в них неизбежно будут появляться крупные поры и полости.

Сделать это не так просто, как может показаться, так как для этого нужно приложить очень точное количество энергии, чтобы не разрушить "кристаллы" и при этом сделать их достаточно нестабильными для превращения в кубические структуры. Дальнейшие эксперименты по "утряске" и наблюдения за движением наночастиц, как надеются ученые, помогут понять, как это можно сделать.