В рубрике «Поговорим о науке» предлагается к обсуждению тема, посвящённая тому, как формулируемые математиками задачи способны приводить к важным научным открытиям в области физики с последующими возможностями применения этих открытий в технологической практике. Одним из примеров вполне можно считать задачу Кельвина, сформулированную ещё в 1887 году.
Задача состояла в заполнении пространства равными многогранниками так, чтобы отношение площади поверхности к объёму многогранника было минимальным. Сам Кельвин (он же Уильям Томсон) предложил в качестве решения своей же задачи – заполнение пространства усечёнными октаэдрами – геометрическими телами, у которых по 14 граней (8 правильных шестиугольников и 6 квадратов).
Почти через столетие после этого появился новый вариант решения задачи Кельвина. В 1993 году Дэнис Уэйр и Роберт Фэлан предложили заполнение пространства набором двух типов многогранников, у которых (при одинаковом объёме) разное число граней. Оказалось, что соотношение Кельвина Уэйру и Фэлану удалось улучшить. Структура, созданная в виде компьютерной модели в 1993 году, получила название пены Уэйра-Фэлана. Примечательно, что Уэйру и Фэллону получить «свою» пену на практике так и не удалось. Лишь через 18 лет её создали учёные из Дублинского Тринити-колледжа.
Встал вопрос: для чего и где это может быть использовано? Причём вопрос этот обозначил себя ещё до реального получения «пены». Математическую модель взяли на заметку инженеры и архитекторы. Так, к Олимпиаде в Пекине с использованием модели заполнения пространства равновеликими многогранниками был построен центр водных видов спорта. Китайцы заявили о существенной экономии строительных материалов при реализации проекта с увеличившейся долей полезного использования пространства.
Теперь же учёные выяснили, что у пены Уэйра-Фэлана есть и важное свойство, которое позволяет совершить настоящий прорыв в физике, а именно – в оптике.
Исследователи Принстонского университета опубликовали работу, в которой отмечено получение пены Уэйра-Фэлана с последующим изучением её оптических свойств. Оказалось, что при пропускании светового луча через эту пену, определённые длины волн блокируются. Другими словами, свет ряда частот пеной отражается, при этом волны других частот видимого света проходят через материал. Слишком упрощённо: “красная” часть спектра проходит, остальное – отражается пеной. Это явление называют избирательной блокировкой фотонов (фотонными запрещёнными зонами).
Учёные сразу же заявили, что знают отрасль, где это свойство пены Уэйра-Фэлана можно было бы применить. Речь идёт о средствах связи, передачи информации, в том числе и в кодированном виде. Исследователи отмечают, что возможности пены Уэйра-Фэлана (самой структуры) могут быть использованы для создания средств информационных коммуникаций нового поколения. Для таких средств связи, как заявлено, потребуется на порядок меньше энергии, чем для привычных нам сегодня. Это заявление уже вызвало интерес со стороны военных.
Сам эффект фотонных запрещённых зон известен и применительно к кристаллам, но пена Уэйра-Фэлана имеет неоспоримое преимущество – её динамика при взаимодействии со светом может программироваться в отличие от статичного кристалла. То есть «пенная» структура может заменить целый набор кристаллов для реализации в проекте передачи данных, создании устройств глобальной коммуникации.
