Факультет

Студентам

Посетителям

Хемотроника – чудо природы

Это относительно новая область науки. Своим созданием она обязана химии и электронике и возникла на стыке этих двух наук. Специалисты по хемотронике изучают и конструируют различного рода электрохимические преобразователи, которые предназначены для использования в качестве отдельных блоков в приборостроении. В хемотронных элементах электрические заряды переносятся ионами в жидкостях, в электронике электрические заряды переносятся в вакууме радиоламп и в твердых телах — полупроводниках.

Среди хемотронных элементов есть устройства типа диодов, триодов, тетродов, интегральных ячеек — накопителей слабых сигналов, усилители электрических сигналов, управляемые сопротивления. Есть и хемотронные преобразователи для измерения неэлектрических величин — датчики давления и расходомеры, виброметры и акселерометры. По сравнению с полупроводниковыми приборами одно из основных преимуществ хемотронных элементов состоит в том, что они потребляют в 100—1000 раз меньший ток. А это очень важно. Токи, создаваемые в хемотронных элементах, во многом напоминают токи природного происхождения, которые текут в Земле.

Хемотронные приборы могут выполнять несколько функций, одновременно связанных с реакцией, переработкой и хранением информации, передаваемой электрическими сигналами. Интересно, что радиофизики отмечают аналогии между созданными руками человека приборами — хемотронами и биологическими, системами: «Как известно, в живых организмах различные логические операции, процессы запоминания, системы ориентации и другие функциональные преобразования происходят в жидкостях, как и у хемотронов. Следовательно, можно предположить, что хемотронные элементы при их дальнейшем усовершенствовании станут основой квазибиологических систем, моделирующих процессы, происходящие в живых организмах. Таким образом, вероятно, хемотронику можно будет в дальнейшем рассматривать как один из разделов бионики», — пишет Л. М. Лапидес [1968 г.]. А может быть, и геоники?

Рассмотрим, как работает электрохимический диод или интегратор. Диод-выпрямитель изготовлен в виде небольшой пластмассовой или стеклянной ампулы, которая заполнена электролитом. Внутри ампулы размещаются точечный катод и сетчатый анод, стеклянная ампула заполнена электролитом. Если катод будет иметь небольшую поверхность, а анод большую, то число перенесенных ионов будет зависеть от поверхности как катода, так и анода. Через систему в случае точечного катода будут проходить слабые токи; если катодом будет электрод с большой поверхностью, то через систему будут проходить большие токи, т. е. такая система обладает свойством выпрямления.

Устройство хемотронных элементов

Устройство хемотронных элементов [по Лапидесу Л. М., 1968 г.]. а — электрохимический диод в стеклянном исполнении, диаметр ампулы 6,5 мм, длина 25 мм; б — схема интегратора дискретного действия; в — без мембранный акселерометр с газовым пузырьком

Рассмотрим принцип работы другого важного элемента — электрохимического интегратора. Электрохимическая ячейка может применяться для целей длительного интегрирования и запоминания информации в течение длительного времени. Интегратор содержит ампулу из стекла или пластмассы 3 и электроды 1 и 4. Ампула заполнена электролитом 2. На один из электродов наносится при изготовлении интегратора известное количество вещества. Этот электрод называется накопительным.

В процессе работы через интегратор пропускают ток. И тогда с одного электрода на другой переносится вещество. Падение напряжения на интеграторе при переносе вещества не превышает 100 мВ. Когда все вещество будет перенесено на катод, напряжение на ячейке резко возрастет, что явится сигналом о завершении процесса переноса вещества. Известно, какое количество электричества должно пройти через электролит интегратора, чтобы перенести все вещество, и эти сведения позволяют определить, какое количество электричества проходит через интегратор. После завершения переноса вещества с анода на катод можно изменить полярность электрода, и процесс повторится еще раз, при этом перенос вещества будет происходить в обратном направлении. Зная число переключений интегратора, можно определить общее количество электричества, которое перенесено через интегратор. Часто у интегратора электроды изготовлены из серебра, а электролитом служит раствор хлористого натрия — широко известного в природе соединения. Такой интегратор называется хлорсеребряным. Мощность, потребляемая интегратором, измеряется микроваттами. Он может работать с высокой точностью (±1—5%) в диапазоне температур от —55 до +75 °С. Сами интегрируемые токи могут колебаться по силе от 0,01 мкА до 1 А. Изменение скорости движения электролита у электродов электролитической ячейки изменяет силу тока в ячейке.

В хемотронике это явление используется для создания датчиков акустических, вибрационных, сейсмических и других сигналов.

Очень много хемотронных преобразователей измеряет неэлектрические величины, такие как давление, частоту колебаний, расход жидкости, скорость вибраций и т. д.

В акселерометре, если ускорение отсутствует, электролит неподвижен и в цепи установится очень небольшой ток. В случае появления ускорения по оси чувствительности акселерометра слева направо электролит будет перемещаться из правой камеры в левую. При этом увеличится сила тока в цепи акселерометра.

Остановимся еще на безмембранном акселерометре. Электролитическая чувствительная ячейка содержит газовый пузырек. Сопротивление между электродами акселерометра будет зависеть от рабочей поверхности электрода, а она, в свою очередь, будет связана с расположением газового пузырька. Обратите внимание на влияние газового пузырька. При изменении его положения изменяется площадь рабочей поверхности электродов: у одного площадь будет увеличиваться, у другого — уменьшаться. Это обстоятельство используется в работе акселерометра. Прибор ориентируется относительно поля земного тяготения. Электролитическая ячейка включена в электрическую измерительную схему моста. Весь мост отрегулирован так, что стрелка измерительного прибора стоит на нуле; в этом случае газовый пузырек занимает фиксированное положение. Если появится ускорение в направлении оси чувствительности, газовый пузырек изменит свое положение и в диагонали измерительного моста возникнет напряжение, которое будет пропорционально ускорению. Посмотрите, как просто и эффективно все устроено: ячейка, электролит, электроды с небольшими конструктивными изменениями выполняют самые разнообразные функции. Однако во всех случаях наблюдается изменение течения электролита, положения газового пузырька и связанных с этим ионных процессов. Такие конструкции могут реагировать на многие физические параметры, что связано с закономерностями электрохимических реакций. В неживой природе среди газово-жидких включений — растворов электролита, запечатанных в ячейки, — могут найтись элементы, сходные с электрохимическими преобразователями. На основании аналогий можно высказать предположение о том, что в газово-жидких включениях идут сложные электрохимические процессы. В поддержку этого мнения свидетельствует то обстоятельство, что в Земле текут теллурические токи, которые могут влиять на газовожидкие включения непосредственно.

Расскажем про опыт, проделанный автором с электрохимическим интегратором. Опыт проводился в одном из районов Сибири, где в Земле текут теллурические токи. Нужно было зафиксировать среднее значение протекающего тока. Для этого брали хемотронную интегрирующую ячейку и включали ее в цепь из электрических проводов и заземлений. Длина линии из изолированного провода составляла несколько километров. Ток попадал из земли в электроды, из электродов в провода. В разрыве провода включена электрохимическая ячейка. Попадая в электрохимическую интегральную ячейку, ток накапливался в ней. Это была искусственная ячейка. А природная? Может ли она копить электричество? Противопоказаний этому нет.

Эффект выпрямления электрического тока установлен в руде. Таким эффектом геофизики пользуются при поисках месторождений сульфидных руд: от источника пропускают через землю ток, а на ее поверхности наблюдают распределение потенциалов. Если есть изменение потенциалов при изменении направления пропускания тока, значит здесь находится рудное тело. Именно оно управляет формой токовых сигналов и, как следствие, формой потенциала. Такие опыты проводились на Алтае и дали положительные результаты.

Мы привели эти примеры, чтобы на созданных руками человека лабораторных моделях показать пути к открытиям явлений, которые могут происходить в природных элементах, содержащих минералы — электроды, электролиты и газовые пузырьки. А ведь речь шла об одном из элементов — газово-жидком включении. В кристалле таких элементов много. Если он находится в природных условиях, то через кристалл протекают токи и возможны те или иные процессы. В газово-жидких включениях есть электролит и там должны идти электрические реакции. Изучение электрохимических процессов в газово-жидких включениях может подсказать новые патенты природы, которые будут использоваться в хемотронике.

Когда мы говорим про клетку, то считаем, что она чувствует все воздействия. Вот что пишет И. И. Гунар: «Потенциалы и токи возбуждения возникают при действии на ткани любых физических и химических факторов. Раздражителями являются такие естественные факторы, как сила тяжести, свет, биотоки, стекло, вода, кислород, углекислота, растворы солей и питательных веществ, гормоны и т. д. Их физиологическое действие начинается прежде всего с возбуждения соответствующих клеток и тканей. Раздражающее действие оказывают и все искусственные факторы, которые тем или иным образом могут влиять на возбудимые структуры и обмен веществ клеток и тканей: механические (удар, укол, порез, продольные, поперечные и касательные напряжения и т. п.), физические (все виды радиации, электрический ток, магнитное поле, центробежные силы, осмотические силы и т. д.) и химические (кислоты, щелочи, соли, окислители, восстановители, лекарства, яды и т. д.)». Для нас существенным является то обстоятельство, что на ткани организма должны действовать все имеющиеся физические естественные или искусственные поля. Электрохимические реакции, происходящие в биологических системах, чувствительны ко многим параметрам и подчеркивают те из них, которые существенны для жизнедеятельности организма и о которых было упомянуто выше.

Подобному воздействию подвергается и газовый пузырек в капле жидкости в кристалле. Он имеет как бы свою смысловую нагрузку в работе системы оболочка — электролит — газовый пузырек. Геологи использовали его как ватерпас, учитывая действие поля силы тяжести. Геофизики ставят вопрос о действии электрических сил, и здесь появляются новые нагрузки для пузырька. Если взять образец, положить его под микроскоп, около образца проложить провод, концы которого подключить к батарейке, и включить ток, то пузырек начнет дрожать. Он «оживает». А если мы пропускаем ток через землю? Впрочем, там текут и естественные электрические токи. Действуют и другие физические поля.

Все изложенное облегчит понимание происходящих процессов с единых позиций и позволит нам активнее познавать окружающий нас мир.

Вот еще один пример на стыке живого и неживого. Кристаллы в живых клетках — может ли такое быть? Оказывается, да. Раньше мы говорили о мире бактерий, питающихся только минералами; кости, камни в клетках — это другая область, своеобразная биологическая минералогия. Известны кристаллы в клетках растений и простейших животных — амеб. В том числе кристаллы — «камни» — в печени, в почках, мочевом пузыре. Здесь клетка играет роль небольшого кристаллизатора для получения маленького кристалла. Такие кристаллы появляются вследствие физико-химических причин и являются или продуктами обмена веществ, или результатом отклонения в жизни клеток от нормальных условий и могут использоваться в процессе роста.

Проведенный сравнительный анализ показывает, что фактически свойства живой материи не являются совершенно специфическими и почти везде можно найти аналоги в мире неживой природы процессам, которые происходят и в живой природе. Возникновение клетки — явление не исключительное. Она по своей сути производная нашей матери-Земли. Устроена и организована клетка очень сложно. Акад. А. И. Опарин писал в 1924 г.: «Особенность, специфичность живых организмов состоит только в том, что в них сплелись, сочетались в крайне сложную комбинацию многочисленные свойства и признаки, по отдельности присущие различным неживым неорганическим телам. Жизнь характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной, специфической комбинацией этих свойств».

Ранее мы приводили соображения ученых о необходимости поиска путей подхода к созданию фазовообособленных систем как важного фактора для выяснения путей образования клетки. Аналогии с миром неживой природы позволяют высказать рабочую гипотезу о механизме появления фазовообособленных систем типа «клетки». При работе с высокомолекулярными органическими полимерами в лабораториях наблюдают помутнение растворов, которое обусловлено выделением сгустков вещества — фазовообособленных систем. Здесь возможны аналогии с газово-жидкими включениями. Вспомним, что в кварце помутнение, создающее молочный цвет, связано с наличием газово-жидких включений — мельчайших пузырьков, являющихся фазовообособленными системами. Что же можно сказать о происхождении клетки при сравнении с образованием газово-жидкого включения? Наличие в клетке органелл и вакуолей говорит о ее сложном происхождении в различных термодинамических условиях на последовательных этапах ее образования.

Клетка внешне очень похожа на газово-жидкое включение, содержащее внутри себя вакуоли и кристаллики. Все это позволяет высказать предположение о происхождении клетки как образования типа газово-жидкого включения, появившегося при кристаллизации органических кристаллов. Предположив, что органеллы могут образоваться (кристаллизоваться?) и до, и после обособления вакуоли, получим, что органеллы могут иметь свои клетки — свои включения кристаллизации, но частично могут находиться и в первичном растворе до кристаллизации клетки. Первичный «бульон» должен быть достаточно сложным и иметь все необходимые составные компоненты для процесса биологической «кристаллизации» клетки, и она должна происходить при определенных условиях, которые приблизительно можно расшифровать таким же путем, как и в случае. газово-жидкого включения. Изложенная гипотеза не противоречит биологическим суждениям. Но она, конечно, как и другие гипотезы, остается пока только научным предположением, требующим дополнительных подтверждений.

Приведенные примеры показали, что сам процесс получения знаний при наблюдениях за неживой природой аналогичен тому, что осуществляют в бионике: сначала проводят наблюдения над природными объектами, затем моделируют изученное в технике, ищут аналогии, создают теории. Минералы в природе могут выполнять те или иные функции, обусловленные их физическими свойствами. Мы не ставили своей задачей рассмотреть все случаи. Можно, например, рассказать про слюду, про исландский шпат и другие минералы. Происходящая научно-техническая революция требует, чтобы человек быстро, глубже и шире изучал новые физико-химические закономерности. Притом здесь сама природа, ее активное исследование выступают на одно из первых мест. Люди взяли рецепт изготовления искусственных кристаллов кварца у природы. Кто же они? Горняки, кристаллохимики? Или по аналогии с бионикой геоники?

Проводя наблюдения за живой природой, обобщая полученные результаты и перенося их в практику, мы можем создавать новые теории, искусственные кристаллы и оригинальные приборы. Интеграл, скальпель и паяльник — это символ бионики. Интеграл, геологический молоток (или буровой станок) и паяльник можно предложить как символ геоники.

В неживой природе, в ее конструкциях — минералах, горных породах, рудах и месторождениях — заложены все известные и неизвестные еще нам физические свойства. И, чтобы их познать, требуется настойчиво изучать минералы, руды и месторождения не только как сырье для горнодобывающей промышленности, но и как физико-химические системы, существующие в природе.

«…В далекой тысячелетней истории минералогии понимание ее содержания изменилось до неузнаваемости… и это содержание подвижно, оно меняется, углубляется, движется с ходом времени.» [Вернадский В. И., 1928 г.]. Эти слова глубоко справедливы и сегодня. Содержание минералогии углубляется постоянно.

Две области знаний: бионика и зарождающаяся геоника — могут объединиться в будущем в биогеонику, которая должна изучать процессы и системы в живой и неживой природе с целью технического моделирования, объяснения природного единства материального мира. Неживая природа, как и живая, тоже щедра на технические рецепты, патенты и открытия. Поэтому геологические и геофизические науки могут дать при таком комплексном подходе новый стимул для развития многих фундаментальных и. прикладных отраслей знания.

Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: