LEGO Konstruktor und absolute Null

Silvester rückt näher. Für manche sind es zwei Tage in der Küche, zehn Minuten am Tisch, für andere ist es eine großartige Gelegenheit, all Ihre Freunde und Verwandten zu treffen, und für andere sind es Wunder, der Weihnachtsmann und natürlich Geschenke unter dem Weihnachtsbaum. Von Jahr zu Jahr erstellen Kinder eine Wunschliste für den allmächtigen graubärtigen Zauberer (ich spreche von Santa Claus, nicht von Gandalf), und meine Eltern versuchen ihr Bestes, um diese Wünsche umzusetzen. Die Zeiten ändern sich, die Wünsche ändern sich: Bevor sich ein Kind über ein Holzpferd freut und jetzt eine Tablette gibt. Aber LEGO wurde immer als universelles, ausgezeichnetes Geschenk für Kinder angesehen (und für Erwachsene, was für eine Sünde).

Dieser farbenfrohe Konstruktor kann jedoch nicht nur eine hervorragende Unterhaltung für alle Altersgruppen sein, sondern auch eine äußerst nützliche Komponente des Verdünnungskühlschranks, der bei der Entwicklung von Quantencomputern verwendet wird. Wissenschaftler der University of Lancaster (UK) beschlossen, ein Experiment zum Einfrieren von LEGO-Blöcken auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (–273,15 ° C) durchzuführen. Dieses anscheinend seltsame Experiment zeigte sehr interessante Ergebnisse, deren Einzelheiten wir dem Bericht der Forschungsgruppe entnehmen werden. Lass uns gehen.

Eine kurze Geschichte von LEGO

Angesichts der Tatsache, dass der Hauptcharakter dieses Experiments LEGO ist, wäre es unhöflich, nicht ein paar Fakten über diesen Konstruktor zu erzählen.

Fast alle LEGO-Teile bestehen aus Kunststoff, insbesondere ABS-Kunststoff (Acrylnitril-Butadien-Styrol oder (C ₈ H ₈ ) _x · (C ₄ H ₆ ) _y · (C ₃ H ₃ N) _z ). In den ersten Jahren seines Bestehens, von 1932 bis 1949, produzierte LEGO Holzspielzeug.


Ole Kirk Christiansen, 1957

Das Unternehmen wurde in Dänemark von Ola Kirk Christiansen gegründet. Der Mann, der die Art und Weise verändert hat, wie Erwachsene über Spielzeug für Kinder denken, wurde 1891 in eine eher arme Bauernfamilie hineingeboren. Ab seinem vierzehnten Lebensjahr begann Ole unter Anleitung seines Bruders, die Fähigkeiten eines Zimmermanns zu erlernen, mit dem er sich später beschäftigte, jedoch bereits außerhalb Dänemarks (von 1911 bis 1916 arbeitete er in Deutschland und Norwegen).

Als Ole 1916 in seine Heimat zurückkehrte, kaufte er, nachdem er alle seine Ersparnisse ausgegeben hatte, eine Tischlerei und ein Holzlager, in dem er lebte und gleichzeitig mit Holz und Holzprodukten handelte.

Ein kleines, aber gewinnbringendes Unternehmen ermöglichte es 1930, eine eigene Firma für die Herstellung von Haushaltswaren zu gründen, von denen ein großer Teil aus Treppen und Bügelbrettern bestand. Die Wirtschaft in den 30er Jahren war jedoch nicht die stabilste, viele Unternehmen wurden geschlossen oder erlitten enorme Verluste. Christiansens Firma war keine Ausnahme.

Und hier lohnt sich ein kleiner Exkurs. Ole heiratete 1916 ein Mädchen aus Norwegen namens Kirstina Serensen, die ihm vier Söhne gebar. Leider ist Kirstina 1932 verstorben.


Ein kleiner Animationsfilm, The LEGO Story, wurde zu Ehren des 80-jährigen Firmenjubiläums (2012) gedreht.

Kommen wir zurück zu den geschäftlichen Angelegenheiten. Aufgrund der Krise wurde etwas Neues, Populäres und Profitables benötigt. Ole und sein Sohn Gottfried fingen an, Holzspielzeug herzustellen. So gab es eine Firma LEGO, deren lateinischer Name "sammeln" bedeutet. Es ist lustig, dass in der Firma, die heute auf der ganzen Welt bekannt ist, in den Anfangsjahren nur 7 Leute gearbeitet haben.

Seit 1947 begann LEGO, keine Holz-, sondern Kunststoffwürfel herzustellen, auf denen spezielle konvexe Teile erschienen, die dazu dienten, die Würfel miteinander zu verbinden.


Eines der ersten Sets, das mit meinem Bruder aufgetaucht ist (eh, Nostalgie).

Ole Christiansen hat die Spielzeugwelt buchstäblich revolutioniert. Die Hauptzutat von LEGO ist Vorstellungskraft, Denken und Kreativität. Kinder, die mit dem Designer spielen, können ganze Welten voller unglaublicher Charaktere, erstaunlicher Gebäude und herzzerreißender Geschichten erschaffen. Kinder sind nicht dumm, sie sehen die Welt anders, sie erforschen sie und zerlegen sie wie ein Konstrukteur in Einzelteile. Ole Christiansen war sich dessen sicher, und als Onkel von zwei wundervollen Mädchen, die Designer lieben, kann ich zuversichtlich sagen, dass er Recht hatte.

Aber sozusagen kein einzelnes Spielzeug. In unserer heutigen Studie haben die LEGO-Blöcke eine unglaubliche Erkältung überstanden. Warum haben Wissenschaftler beschlossen, den Konstrukteur einzufrieren? Die Antwort ist banal genug - um zu sehen, was passiert. Ihre Neugier war mehr als berechtigt.

Während der Experimente wurden LEGO-Blöcke (im Folgenden als Probe bezeichnet) Temperaturen im Bereich von 70 mK (Millikelvin, 1 mK = 10 ^–3 K) bis 1,8 K ausgesetzt. Als Ergebnis wurde das Potenzgesetz der Wärmeleitfähigkeit der Probe abgeleitet:

κ = (8,7 ± 0,3) · 10 & ^supmin ; & ^sup5; T ^{1,75 ± 0,2} WK & ^supmin ; ^¹ m & ^supmin ; ^¹

Wie sich herausstellte, können LEGO-Blöcke aufgrund ihrer ungewöhnlichen Struktur hervorragende Wärmeisolatoren sein. Und für die Wärmedämmung kryogener Bauteile sind Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Gegenwärtig werden solche Materialien häufig bei der Herstellung von Quantencomputern verwendet, die für den normalen Betrieb isolierte niedrige Temperaturen benötigen. Nun gibt es bereits ein Vespel- Polymer, das eine gute Wärmedämmung aufweist, die aber in der Herstellung recht aufwendig ist, was man bei LEGO-Blöcken aus verbreitetem ABS-Kunststoff nicht sagen kann.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1: Versuchsaufbau.

In den Experimenten wurden 4 Blöcke verwendet, die miteinander verbunden waren. Die Probe wurde in einen Auflösungskühlschrank * gestellt, der an der University of Lancaster * hergestellt wurde .

Der Dissolution Refrigerator * ist eine kryogene Einheit, die zwei Heliumisotope verwendet: ³ He und ⁴ He. Wenn die Temperatur 700 mK und weniger erreicht, erfährt die Mischung eine spontane Phasentrennung, wobei eine neue gebildet wird: reiches ³ He und reiches ⁴ He.

Die Verbindung zwischen den Blöcken wurde unter Verwendung der Geometrie der Blöcke selbst durchgeführt, das heißt ohne Verwendung von irgendwelchen Klebematerialien. Die Gesamthöhe der Probe betrug 40,2 mm, die Fläche 502 mm² und das Gewicht 9,28 g. Auf der Ober- und Unterseite der Probe befanden sich Kupferplatten (Kontakte), die unter Verwendung von Vakuumfett zur Verbesserung des Wärmekontakts angebracht wurden.

Die untere Kupferplatte war thermisch mit der Mischkammer des Kühlschranks verbunden. Eine 3 & Omega; -verdrahtete Manganinheizung (eine Legierung aus Kupfer, Mangan und Nickel) und ein Widerstandsthermometer wurden an das obere Platin angeschlossen. Vor den Experimenten wurde die Temperatur der unteren Platte 9 Tage bei T _low ≈ 4,5 mK gehalten. Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wurde die obere Platte mit einer konstanten Wärmemenge Q beaufschlagt und nach Stabilisierung der Temperatur der oberen Platte (T _high ) direkt gemessen. Am Probenmaterial selbst wurde ein Wärmeleck festgestellt, das während des gesamten Experiments auf dem gleichen Niveau blieb: Q ₀ = 3,2 × 10 ^–10 W (3,4 × 10 ^–11 Wg ^–1 ).

Wie die Forscher selbst feststellen, kann für die Wärmeleitfähigkeit von Isolatoren bei Temperaturen weit unterhalb der Debye-Temperatur der Ausdruck κ = λT ⁿ verwendet werden, wobei κ der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ist.

Die Konstanten λ und n können durch Anpassen der experimentellen Daten an den Ausdruck bestimmt werden:

λ = Q (n ^{+ 1} ) Δx / a (T _hoch ^{n + 1} - T _niedrig ^{n + 1} )

wobei T _high und T _low - hohe und niedrige Temperatur über die gesamte Struktur der Probe.


Bild Nr. 2

Die obige Grafik zeigt die gemessenen Q- Ergebnisse im Vergleich zu T _high für eine modulare ABS-Struktur.

Die Wärmeleitfähigkeit in Kunststoffen bei sehr niedrigen Temperaturen zeigt die Abhängigkeiten von T ⁿ bei n im Bereich von 1,7 bis 2,46. Es wurde auch festgestellt, dass die Wärmeleitfähigkeit der anisotropen modularen ABS-Struktur stark von der Messachse abhängt.

Darüber hinaus wurde deutlich, dass die LEGO ABS-Struktur eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als einer der besten volumetrischen Wärmeisolatoren auf dem Markt ( Macor * ). Ein so hoher Grad an Wärmeisolation wird höchstwahrscheinlich durch den Kontaktwiderstand an den Verbindungsstellen der LEGO-Blöcke erreicht.

Macor * ist eine Glaskeramik mit einem hohen Grad an Wärmeisolation, die eine Stabilität bei 1000 ° C beibehält. Macor besteht aus: 46% Siliziumdioxid (SiO ₂ ), 17% Magnesiumoxid (MgO), 16% Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ), 10% Kaliumoxid (K ₂ O), 7% Bortrioxid (B ₂ O) ₃ ) 4% Fluor (F).

Wenn eine Leistung von 400 nW an die obere Platte angelegt wird, steigt die Temperatur der oberen Platte um 1 K an, aber die Temperatur der unteren Platte bleibt unverändert. Zum Vergleich: Eine Vespel-SP22-Struktur mit den gleichen Abmessungen wie die LEGO ABS-Struktur sollte eine Wandstärke von weniger als 300 Mikrometer aufweisen, um den gleichen Isolationsgrad zu erzielen.

Gleichzeitig hat der „3001“ -Block (Artikelnummer des Blocks) LEGO eine Wandstärke von ca. 1,2 mm. Mit solchen Wänden einen Block zu bauen, ist viel einfacher. 1,2 mm sind zwar noch recht dünn, die LEGO-Einheit hält jedoch einer Belastung von kg 300 kg in einer hydraulischen Presse stand. Ein solcher Festigkeitstest zeigt, dass die Struktur des Blocks trotz des Vorhandenseins von Hohlräumen im Inneren einen relativ hohen Grad an mechanischer Stabilität aufweist. Aus mechanischer Sicht kann die LEGO-Einheit daher jedem vernünftigen kryogenen Experiment standhalten.

Die thermische Kompression der ABS-Struktur beim Abkühlen von Raumtemperatur auf 4,2 K betrug 1,5% (Vespel 0,6%), was ebenfalls ein wichtiger Indikator ist.


In diesem Video sprechen die Autoren der Studie über ihre Arbeit und demonstrieren die Ego-Ergebnisse.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, in den Bericht der Wissenschaftler zu schauen.

Nachwort

In diesem Experiment konnte herausgefunden werden, dass der übliche LEGO Designer-Block erstaunliche Eigenschaften aufweist, insbesondere, wenn man bedenkt, dass es sich um einen normalen ABS-Kunststoff handelt und nicht um ein Super-Material.

In einem Experiment mit LEGO-Blöcken, die eine Fläche von 502 mm ² einnehmen, waren nur 400 nW Leistung erforderlich, um einen Temperaturbereich von 100 mK bis 1 K zu erreichen. Darüber hinaus wirkten sich Änderungen der Temperatur der oberen Platte nicht auf die Temperatur der unteren aus, was auf einen hohen Grad an Wärmedämmung hinweist.



Aus materieller Sicht ist die LEGO-Einheit in keiner Weise besser als Isolatoren wie Vespel oder Macor. Die Überlegenheit gegenüber Wettbewerbern liegt jedoch nicht im Material, sondern in der Geometrie der Struktur: Das Vorhandensein von Hohlräumen in jedem Block und die enge Verbindung zwischen den Blöcken (Abbildung oben).

Die Ergebnisse von Experimenten mit LEGO-Blöcken legen nahe, dass ähnliche Strukturen aus allgemein verfügbarem Material (ABS-Kunststoff) auf einem 3D-Drucker nachgebildet werden können.

Durch die Kombination der Fähigkeiten des 3D-Drucks und der Erkenntnisse aus dieser Studie können neue Strukturen geschaffen werden, deren Isolation, mechanische und sogar elektrische Eigenschaften vorab für bestimmte Aufgabenstellungen modelliert werden. Vergessen Sie nicht die Produktionskosten. Ein Vespel-Bogen mit einer Fläche von 100 cm ² kostet also ungefähr die gesamte Installation eines 3D-Druckers, die zum Drucken von ABS-Strukturen erforderlich ist. Eine wichtige Tatsache aus ökologischer Sicht ist die Tatsache, dass ABS im Gegensatz zu demselben Vespel wiederverwendet werden kann.

Manchmal haben die einfachsten Dinge auf den ersten Blick unglaubliche verborgene Eigenschaften, die ursprünglich nicht von den Machern in ihnen festgelegt wurden. Um sie zu finden, müssen Sie diese Objekte aus einem neuen Blickwinkel betrachten und sich Fragen stellen, die andere für dumm halten würden, z. B. "Was passiert, wenn LEGO in eine kryogene Installation geschoben und auf den absoluten Nullpunkt eingefroren wird?".

Einige Entdeckungen haben das Licht durch lange, sorgfältige und äußerst komplexe Berechnungen, theoretische Untersuchungen und Nachdenken über jedes wahrscheinliche Ergebnis erblickt. Andere wurden zur Idee des Zufalls oder der einfachen wissenschaftlichen Neugier, die jeder Wissenschaftler besitzen sollte. Wenn ein Wissenschaftler nicht mehr über die Welt um uns herum wissen möchte, steckt er möglicherweise in den Entdeckungen fest, die vor ihm gemacht wurden.

Neujahrs-Off-Top

2019 wird unweigerlich zu seinem logischen Abschluss kommen. In diesem Jahr fanden viele Ereignisse auf der Welt statt, sowohl inspirierend als auch traurig. Unabhängig davon, welche Schwierigkeiten der Menschheit im Wege stehen, arbeitet die wissenschaftliche Gemeinschaft weiterhin für ihr Wohl. In der modernen Wissenschaft sollte es keine Länder, Flaggen, Farben und Sprachen geben, in der modernen Wissenschaft sollte es einen allgemeinen Eifer geben, die ganze Welt zu einem besseren Ort zu machen, ohne sie durch geopolitische oder ethnische Grenzen zu trennen.

Wir sind weit entfernt von Utopie, weit entfernt von einer glänzenden futuristischen Zukunft, die Science-Fiction-Autoren so leidenschaftlich beschreiben. Das heißt aber nicht, dass wir stehen bleiben oder, schlimmer noch, zurücktreten sollten.

Wir müssen uns daran erinnern, dass es nicht notwendig ist, Wissenschaftler zu sein, um die Wissenschaft zu lieben und sich für sie zu interessieren. Kinder sind ein Paradebeispiel. Meine Nichten haben keinen Doktortitel, sie haben die Universität nicht abgeschlossen und haben keine Dissertation geschrieben, sie sind noch weit von der Schule entfernt, aber in ihren Augen sehe ich einen brennenden Wunsch, diese riesige Welt, die sie umgibt, zu verstehen.

Ich höre und sehe oft die Worte "Kinder bleiben". Sie werden im Kontext der Seele, Emotionen, Visionen der Welt und mehr gesprochen. Was mich betrifft, ist dieser Satz großartig für die Welt der Wissenschaft. Bleiben Sie Kinder, deren Neugier und Verstehenslust keine Grenzen kennt, denn der Wissenschaft sind keine Grenzen gesetzt.

Frohes Neues Jahr, liebe Freunde, und möge es voller neuer Fragen und Antworten, Stürze und Unruhen, Streitereien und Versöhnungen, Abschiede und Treffen sein, denn dies ist unser Leben - komplex, manchmal unvorhersehbar, aber unglaublich interessant. Zum Fest! :)

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