самая лучшая лаборатория в мире
Самые известные химические лаборатории в мире
Прогресс шагает вперед с неутомимой скоростью. По всему миру появляются лабораторные комплексы, предназначенные для исследования естественных наук и проведения различных экспериментов в области химии. Подобные учреждения оснащаются не только современными сушильными шкафами, центрифугами, дистилляторами и гомогенизаторами, но и инновационным общелабораторным оборудованием. Далее будет вкратце рассказано о наиболее известных исследовательских центрах.
Аргоннская Национальная лаборатория
Данное учреждение считается старейшим ИЦ, попадающих под ведомство Министерства энергетики США. Этот величественный комплекс, имеющий необычную кольцеобразную архитектуру, был основан еще в 1946 году. В основном блоке этого учреждения регулярно проводятся исследования в области химических реакций, а также биологии и физики твердого тела.
Научный центр Университета Техаса
Еще один американский комплекс, начавший свою деятельность в шестидесятых годах прошлого столетия. Одним из основных направлений деятельности данного учреждения является исследование человеческой ДНК, однако научный персонал проводит эксперименты и с атомной эмиссией в газах.
Центр экологических исследований
Он располагается в городе Вагенинген (Нидерланды). С виду этот комплекс не выделяется ничем особенным, кроме ячеистого ромбовидного фасада. Однако внутри эта современная лаборатория оснащена передовыми экотехнологиями и новейшим оборудованием. В этом центре даже стандартные сушильные шкафы обладают необычайной мощностью, позволяющей проводить самую различную обработку проб.
Институт Солка
Этот комплекс располагается на побережье Ла-Хойя. Отличительной чертой этого центра является необычная архитектура их стекла, железобетона, свинца и стали. Здесь проводится множество экспериментов в области химии.
Институт им. Вейцмана
Этот комплекс завершает рейтинг наиболее известных лабораторий в мире. Он располагается в Израиле и активно работает в области изучения естественных наук. Кроме того, это учреждение обладает весьма характерной архитектурой, благодаря которой оно стало узнаваемым во многих странах.
МКС — самая высокая лаборатория в мире
Международная космическая станция (МКС) — это пространство, где люди работают над важнейшими для человечества проектами вне зависимости от национальности и вероисповедания: в космосе все равны. Тем не менее МКС разбита на несколько модулей, каждый из которых относится к определённому космическому агентству: российскому, американскому, европейскому, японскому.
Наверняка все видели фотографии Земли, сделанные с борта МКС, а также видео с астронавтами, которые «летают» по станции в условиях невесомости или выходят в открытый космос для внешних работ по поддержанию станции в рабочем состоянии. Но кроме съёмок и космических прогулок астронавты заняты проведением многочисленных экспериментов. Большая часть исследований направлена на изучение влияния микрогравитации на самые разные объекты и процессы: от организма человека до изнашивания материалов и роста кристаллов. Некоторые эксперименты имеют более «приземлённые» цели.
МКС — модульная станция, и она напоминает конструктор: модули постепенно добавляются, обновляются и меняются. Время и возможности пребывания космонавтов в открытом космосе ограничены буквально несколькими часами, поэтому без дополнительных рук тут не обойтись.
Станция оборудована несколькими роботизированными «руками» и кранами. Они доставляют оборудование в нужную позицию, с помощью камер обеспечивают детальный контроль за процессом и даже «держат» человека в скафандре. Каждый из таких манипуляторов — достижение робототехники. Но высокоточная и «умная» рука может быть полезной не только на орбите. На основе технологии робототехнической системы Canadarm-2, которая используется в космосе, создан робот-ассистент для хирургических вмешательств: он, конечно, не держит скальпель, но работает на основе того же программного обеспечения, что и его космический старший брат, и его камеры следуют за инструментами хирурга, тем самым обеспечивая ему оптимальный обзор происходящего и облегчая работу ассистентам.
Роботизированная «рука» Canadarm-2 захватила космический корабль SpaceX Dragon для дальнейших манёвров вокруг МКС и стыковки. Фото: NASA
Космическое материаловедение
Агрессивное космическое излучение делает материалы более хрупкими и ломкими. Сейчас на станции проводится тестирование серии новых материалов MISSE-FF. Специальные «палетки» с образцами материалов, покрытий и отдельных элементов расположены в разных частях станции с разной степенью открытости космическим лучам, чтобы после определённого времени сравнить, как излучение влияет на микроструктуру материалов и соответственно на их механические свойства. Основываясь на этой информации, материаловеды могут оптимизировать химический состав, процесс изготовления и последующей обработки каждого материала, а инженеры — выбрать наиболее надёжные материалы для компонентов, которые подвергаются длительному воздействию радиации. Износостойкие материалы необходимы не только для конструкций самой станции, но и для более надёжной работы наземных объектов, подверженных радиации: атомных станций, ускорителей частиц для науки и медицинских приложений, атомных подводных лодок и ледоколов.
Сравнение образцов различных материалов и покрытий до (вверху) и после (внизу) пяти лет выдержки под воздействием космического излучения во время предыдущих экспериментов. Фото: NASA
«Прозрачные» сплавы — ещё один эксперимент в области материаловедения, который совсем недавно начался на МКС: оборудование доставила миссия SpaceX-13 в декабре 2017 года. Цель эксперимента состоит в изучении процессов затвердевания сплавов из двух или трёх компонентов в условиях микрогравитации. Механические свойства сплавов обусловлены их микроструктурой. При остывании жидкого материала конечная микроструктура зависит от множества параметров: химического состава сплава, скорости его остывания, давления, при котором оно происходит, и так далее. На Земле гравитация вызывает конвекцию жидкой фазы, что тоже влияет на процесс кристаллизации сплава. Условия микрогравитации позволяют сосредоточиться на диффузионной составляющей этого процесса, обусловленной только скоростью охлаждения конкретной химической композиции. Для этого на станции установлена специальная печь, в которой различные виды пластика сплавляются при строгом температурном контроле. В эксперименте используют пластики вместо металлов, поскольку температура их плавления намного ниже, а необходимое оборудование гораздо меньше и легче, чем металлургические печи. Тем не менее детальное понимание диффузионного процесса поможет металлургам в разработке сплавов с оптимальной микроструктурой.
Эксперимент MISSE-FF (Materials ISS Experiment Flight Facility) с держателями образцов в полностью раскрытой конфигурации. Образцы подвергаются воздействию агрессивной среды низкой околоземной орбиты (160–2000 км над поверхностью Земли; орбита МКС находится примерно на 400 км). Среда низкой околоземной орбиты включает в себя ультрафиолетовое излучение, атомарный кислород, ионизирующее излучение, космические лучи, заряженные частицы и микрометеориты. После окончания эксперимента в открытом космосе все образцы вернутся на Землю для подробного изучения. Фото: Alpha Space
Ещё на МКС выращивают белковые кристаллы. Один из наиболее распространённых методов для изучения структурного строения белков — рентгеновская кристаллография. Чтобы «расшифровать» взаимное расположение атомов в белках, их необходимо превратить в кристаллы. Не каждый белок хорошо реагирует на такое обращение. Как оказалось, некоторые из «капризных» белков гораздо проще кристаллизовать в условиях микрогравитации, и это стало важным направлением работы космической лаборатории ещё со времён станции «МИР».
Микрогравитация представляет уникальные условия для экспериментов с жидкостями как на макро-, так и на микроуровне. Исследование процессов горения также необходимо: динамика сгорания топлива в условиях микрогравитации отличается от того, к чему мы привыкли на Земле. Для надёжной работы двигателей в космосе и оптимального расхода топлива информация об отличиях в процессах сгорания незаменима. Данные о поведении жидкостей с «выключенной» гравитацией полезны и для более точного понимания атмосферных явлений и поведения океанов.
Пламя свечи на Земле и в условиях микрогравитации. Причина явных различий в том, что на Земле горячий воздух легче холодного и поднимается вверх, придавая форму пламени. Холодный воздух быстро опускается на его место, создавая локальные нестабильности, из-за чего пламя свечи обычно подрагивает. На орбите же, поскольку сила притяжения близка к нулю, этого не происходит, и процесс горения проходит совершенно иначе. Фото: NASA
Плоть, кровь и космический салат
Атрофия мышц и потеря костной ткани — именно эти факторы, вместе с повышенной дозой космического излучения, ограничивают продолжительность пребывания астронавтов на орбите. Длительное отсутствие движения и микрогравитация приводят к росту жировых клеток в костном мозге, что в свою очередь уменьшает способность организма производить красные кровяные клетки. Такие исследования полезны не только для планирования космических экспедиций, но и для более детального понимания процессов в организме людей, которые вынуждены долгое время придерживаться постельного режима — ведь их в наше время намного больше, чем космонавтов. Но, как показывают исследования, не только опорно-двигательный аппарат подвергается изменениям на орбите, проходят эксперименты и по изучению изменений в мозге.
Три разновидности салата, выращенного в камере «Овощная грядка» на МКС в рамках эксперимента VEG-03D. Салат был собран и съеден экипажем под соусом, присланным из центра управления экспериментом. Следующий этап работы — отладка более крупной «теплицы» для выращивания овощей. Фото: NASA / ISS
На МКС есть система для биологических экспериментов, в которых изучают поведение клеток, простых организмов, семян и даже мышей в условиях микрогравитации. Один из недавних ботанических успехов на МКС — три разных сорта салата, выращенных на космической «грядке». Свежие овощи помогают астронавтам разнообразить рацион.
Тёмная материя есть?
Пожалуй, самый фундаментальный из экспериментов на базе МКС — это детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), который пытается поймать следы тёмной материи и антиматерии в космических лучах. Идею этого эксперимента предложил нобелевский лауреат Сэмюэл Тинг в 1995 году. На разработку, строительство и тестирование детектора в ЦЕРН ушло 15 лет, и в 2010 году AMS был готов к полёту на орбиту. Теоретически AMS мог бы быть отдельным спутником, но его потребности в энергии и передаче данных в огромных объёмах сделали «соседство» с МКС неизбежным. Детектор регистрирует прохождение порядка 30 миллиардов космических частиц в год. Он «принимает» только те частицы, которые попадают в него под определённым углом, и измеряет их скорость, энергию, тип и направление, откуда они попали в детектор. Обработка данных уже «заподозрила» избыток позитронов, который может быть сигналом тёмной материи, а также несколько атомов антигелия, но статистический вес этих наблюдений пока недостаточен, чтобы утверждать что-то конкретное. Физика частиц — это всегда испытание не только на сообразительность и развитость технологий, но и на дотошность и терпение.
Международная космическая станция позволяет нам быть ближе к звёздам, но главное — продвигать науку и технологии вперёд. Почти любая технология, разработанная для станции, будет полезна и на Земле: более надёжные материалы, развитие медицинской техники и фундаментальной науки. Будем надеяться, что со временем полёты в космос станут более доступными и у МКС появятся соседи. И, конечно, хочется верить, что космический туризм станет возможен и для нас с вами, ведь кто не мечтает увидеть нашу прекрасную планету с высоты спутникового полёта?
Самые красивые научные лаборатории мира: внутри и снаружи
Научные лаборатории во всем мире похожи — люди в белых халатах, помещения из бетона и стали, внушительные и миниатюрные измерительные приборы. Тем не менее есть между ними и различия. Проявляются они не только в узкой специфике исследуемых материалов, но и во вполне понятных архитектурных особенностях. Некоторые лаборатории действительно напоминают помещения, словно созданные в мире будущего. Другие нарочито стремятся ничем не выделяться. В любом случае исследовательские центры часто подтверждают негласное правило: наука может быть не только познавательной, но и красивой.
Мы много рассказываем о путешествиях в материальном контексте: «Вот красивое место — иди и исследуй его сам». На планете, однако, полно уголков (красивых во всех смыслах), посетить которые проблематично. Научные лаборатории как раз относятся к таким местам — доступ туда строго регламентирован. Не являясь ученым, журналистом/блогером или просто популяризатором науки, попасть на передовой край фундаментальных исследований сложно. Но посмотреть на лаборатории хотя бы со стороны вы все еще можете — в нашей новой подборке. А затем, кто знает, может и повезет увидеть изнутри или вблизи.
«Техническая Зона 3» Лос-Аламосской Национальной лаборатории (штат Нью-Мексико, США). Эта лаборатория является одним из крупнейших многопрофильных научно-технических учреждений в мире.
Аргоннская Национальная лаборатория — старейший национальный исследовательский центр Министерства энергетики США. Основан в 1946 году. Здание перед нами — это Передовой Фотонный Источник Синхротронного излучения 3-го поколения, используемый для исследований в области физики твердого тела, быстрых химических реакции, биологии и пр.
Окриджская национальная лаборатория — самая большая научная и энергетическая лаборатория в системе Министерства энергетики США. Расположена вблизи города Ок-Ридж (штат Теннесси). Научные направления: материаловедение, нейтронная физика, энергетика, высокопроизводительные вычисления, системная биология, национальная безопасность.
Центр интегрированных нанотехнологий американской Национальной лаборатории Сандиа (штат Нью-Мексико). Лаборатория, также имеющая отношение к Министерству энергетики США, занимается преимущественно вопросами ядерного оружейного комплекса, а также смежными инновационными конверсионными технологиями.
Исследовательская лаборатория Simula (SRL, Simula Research Laboratory), в которой проводятся исследования в области распределённых систем, научных вычислений и инжиниринга программного обеспечения, Форнбу, Норвегия. Также в Simula проводятся обучение аспирантов и разработки различных коммерческих приложений.
Штаб-квартира Европейской организации астрономических исследований в Южном полушарии (Гархинг, Германия).
16-этажный Wilson Hall — центральный корпус Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, Батавия, Иллинойс (США). Здание служит штаб-квартирой для управленческого персонала, содержит множество лабораторий. Здесь проводятся эксперименты с помощью коллайдеров, изучаются нейтрино. Учёные лаборатории участвуют в астрофизических наблюдательных проектах.
Научный центр Университета Техаса, Даллас (США). Университет был создан в 60-е годы XX века компанией Texas Instruments для развития промышленности города с помощью привлечения научных сил. В дизайне здания используются два научных паттерна: спектр атомной эмиссии в газах и человеческая ДНК.
Исследовательская лаборатория при Университете Техаса, Даллас (США).
Здание изучения здравоохранительных дисциплин при Университете Аризоны, город Феникс. Университет штата Аризона является одним из первых (основан в 1885 году) государственных исследовательских университетов в США. При создании дизайна здания автор вдохновлялся каньонами штата.
Центр экологических исследований в городе Вагенинген, Нидерланды. В здании логично используются самые передовые экотехнологии.
Stata Center при Массачусетском технологическом институте, Кембридж, США. Внешние поверхности сооружения плиткой и панелями из гофрированной и полированной стали. Дизайн отражает свободный и творческий дух института.
Антарктическая исследовательская станция Бхарати, третья индийская станция в Антарктике, рассчитанная на длительное пребывание людей. В качестве строительных блоков при возведении полярной станции использовали транспортные контейнеры — всего 134 штуки. Станция может быть полностью демонтирована в любой момент.
ALBA — источник синхротронного излучения третьего поколения, расположенный в Серданьоле-дель-Вальес (Испания).
Один из крупнейших китайских научных центров — Шанхайский Центр синхротронного излучения, расположенный в парке высоких технологий Чжанцзян. Центр занимает площадь 200 тысяч квадратных метров и выглядит как огромный стадион. Внутри расположены три ускорителя.
Монументальное и величественное здание из бетона, свинца, стали и стекла — это институт биологических исследований Солка, расположенный на живописном побережье Ла-Хойя, в Калифорнии.
Институт имени Вейцмана в Реховоте — высшее учебное заведение и многопрофильный научно-исследовательский институт в Израиле. В институте Вейцмана действуют исследовательские отделения в области естественных наук.
Теперь пришло время заглянуть внутрь. Как выясняется, ученые и их приборы, могут быть ещё более удивительны, чем те здания, в которых они работают.
Панорама интерьера лаборатории Беркли, установка продвинутого источника света (Advanced Light Source, ALS). ALS дает сверхинтенсивный свет для научных и технологических исследований. Это один из самых ярких искусственных источников ультрафиолетовых лучей и мягких рентгеновских лучей.
Мы находимся в Европейском центре синхротронного излучения в Гренобле (Франция). Комплекс построен в 1994 году совместными усилиями 20 стран. Здесь установлен самый высокоэнергетичный синхротрон в Европе. На фото виден экспериментальный аппарат для создания ультравысокого вакуума. Такой вакуум используется для изучения магнетизма и электронной структуры.
На фото запечатлен эксперимент, осуществляемый на мощной импульсной лазерной установке TRIDENT в Лос-Аламосской Национальной лаборатории. Уникальный лазер развивает мощность в 200 триллионов ватт и способен зажигать микрозвезды из плазмы, температура которой во много раз превышает температуру нашего Солнца.
Детектор Star на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов, расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории, штат Нью-Йорк. На установке изучается структура нуклонов и кварк-глюонная плазма, возникающая при столкновении частиц и существовавшая на самой заре появления Вселенной.
Z-Машина — цилиндр диаметром 32 м и высотой 6 метров — это экспериментальная установка и один из крупнейших в мире источников рентгеновского излучения. Предназначена для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений. Установка принадлежит исследовательской Лаборатории Сандиа, Альбукерке (США). С её помощью может быть получена плазма с температурой свыше 2 миллиардов Кельвинов.
Внутри Главного инжектора Центра астрофизических исследований в Лаборатории имени Ферми находится один из фокусирующих магнитов, известный как «рог» (на фото). Главный инжектор служит источником нейтрино. «Рог» фокусирует в узкий пучок частицы, распад которых и даёт нейтрино и антинейтрино.
Один из четырех огромных детекторов Большого адронного коллайдера, расположенного в ЦЕРН, неподалёку от Женевы. Эти детекторы использовались для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса и суперсимметричные партнеры частиц Стандартной Модели.
Ученые Государственного Университета Северной Каролины работают с электронным микроскопом.
Загадочное нечто: чем занимаются в современных подземных лабораториях
В подземной лаборатории в Гран-Сассо, которая находится в 120 км от Рима (Италия), в ходе эксперимента ученые обнаружили «самое загадочное нечто во Вселенной».
Лаборатория расположена на глубине около 1,4 км под горой Аквила. Ее построили под землей, чтобы оградить разработки от космического излучения, которое постоянно оказывает воздействие на поверхность Земли. Внутри научного бункера находится 3,5-тонный бак с ксеноном. Там газ подвергают влиянию электричества, в итоге получается детектор заряженных частиц.
При столкновении заряженных частиц с атомами ксенона происходит электролюминесценция, то есть при ударе отлетают фотон и электрон. За год, по идее, в баке число столкновений ксенона с известными науке частицами равняется 232 ± 15.
Однако эксперимент показал 285 вспышек электролюминесценции с 2017 по 2018 год. Ученые пришли к выводу, что в лишних случаях с атомами газа сталкивалось «загадочное нечто», которым, по мнению исследователей, являются частицы темной материи.
Научные сотрудники Института Кавли не сомневаются, что это была именно темная материя. Они считают, что она состоит из частиц-хамелеонов, которые способны изменять свои свойства в зависимости от условий внешней среды.
В современном мире все большую популярность обретают подземные лаборатории. Во-первых, в бункере можно создать необходимые условия для экспериментов, настроив температуру, влажность, свет и т.д. Во-вторых, там проще заниматься изучением физических процессов. Поэтому сейчас активно возводят новые научные подземные комплексы. Какие лаборатории-бункеры существуют? И чем там занимаются?
Подземная лаборатория Модан
Многопрофильная лаборатория расположена во французском городе Модан, посередине автомобильного туннеля Фрежюс на глубине 1700 метров. Центр основан в 1982 году. В нем проводят эксперименты в области ядерной физики, физики элементарных частиц и астрочастиц, биологии, нано- и микроэлектроники, а также наук об окружающей среде.
Управляет лабораторией Национальный центр научных исследований Франции и Университета Гренобля-Альп. В основе фундаментальной деятельности лежат проекты SuperNEMO и EDELWEISS, первый направлен на изучение нейтринной физики, а второй – на выявление темной материи.
В этом научном центре проводят и международные эксперименты при сотрудничестве с Объединенным институтом ядерных исследований из российского наукограда Дубны и Чешским техническим университетом Праги.
Обсерватория Камиока
Исследовательский центр, ранее известный как Подземная обсерватория Камиока, находится в шахте Мозуми, префектура Гифу, Япония. Его основали в 1983 году. Лаборатория находится на глубине 1000 метров под землей. Сначала там изучали стабильность спонтанного распада протонов при помощи эксперимента Камиоканде. Потом одним из основных направлений стало изучение нейтрино.
На данный момент центр известен как обсерватория Камиока. Там ученые отслеживают нейтрино, поступающие от сверхновых звезд, Солнца, атмосферы Земли и ускорителей частиц. В 2015 году Такааки Кадзиту вручили Нобелевскую премию по физике за открытие атмосферных нейтринных осцилляций при эксперименте «Супер-Камиоканде».
Подземная лаборатория в Боулби
Лаборатория Боулби находится на глубине 1100 метров внутри калийно-солевой шахты в Боулби на северно-восточном берегу Англии. Она является мультидисциплинарным научным центром, которым управляет британский Совет по научным и технологическим средствам.
Там занимаются поиском темной материи и проводят эксперименты с космическими лучами. Также ученые изучают геологию, геофизику, среду, климат, жизнь в экстремальных условиях на Земле и развитие инструментария аппаратов, которые предназначены для изучения жизни вне Земли.
В центре расположен детектор темной материи DRIFT-II, который ищет направленную темную материю. В лаборатории также до сих пор работают с детектором LZ и замеряют ультранизкую фоновую материальную активность.
SNOLAB
Лаборатория SNOLAB была основана в 2009 году. Она находится на глубине 2070 метров и является самым глубоким физическим объектом в Северной Америке, который осуществляет работу внутри функционирующей никельной шахты в штате Онтарио, Канада.
Это огромный научный центр, его площадь – 5 тысяч квадратных метров. Все пространство лаборатории представляет собой чистое помещение класса 2000 с менее чем 2000 частицами на 0,09 квадратного метра.
В SNOLAB проводятся очень точные эксперименты в области исследования темной материи и нейтрино. Специалисты также намерены установить SuperCDMS – криогенную систему обнаружения темной материи нового поколения, когда завершат ее тестирование.
Китайская подземная лаборатория Цзинпинь (CJPL)
Лаборатория Цзинпинь (CJPL) находится на глубине 2400 метров и является самым глубоким в мире научным центром. Ее построили в 2010 году в горе Цзинпинь в провинции Сычуань на юго-востоке Китая.
Местоположение центра выбрано идеально, так как там слабый мюонный поток космических частиц, поэтому здесь намного меньше шумов фоновой радиации, нежели в других мировых лабораториях. Из-за того, что он построен под горой, туда имеется горизонтальный доступ, а не вертикальный, что очень удобно.
Там проводят два эксперимента, в результате которых ученые пытаются напрямую обнаружить темную материю: эксперимент Китая по темной материи (CDEX) и PandaX. В планах ученых – наблюдение за нейтрино. В ближайшее время исследования по астроядерной физике и прототип нейтринного детектора весом в 1 тонну переведут во вторую фазу проекта (CJPL-II).