Konstruktor LEGO dan nol absolut

Malam Tahun Baru semakin dekat. Untuk beberapa orang, itu dua hari di dapur selama sepuluh menit di meja, untuk seseorang itu adalah kesempatan yang bagus untuk mengumpulkan semua teman dan kerabat Anda, dan bagi seseorang itu keajaiban, Santa Claus dan, tentu saja, hadiah di bawah pohon Natal. Dari tahun ke tahun, anak-anak membuat daftar keinginan untuk penyihir berjanggut abu-abu yang mahakuasa (saya berbicara tentang Santa Claus, bukan tentang Gandalf), dan orang tua saya mencoba yang terbaik untuk mengimplementasikan keinginan ini. Waktu berubah, harapan berubah: sebelum seorang anak bersukaria di atas kuda kayu, dan sekarang memberikan tablet. Tapi LEGO selalu dianggap sebagai hadiah universal yang sangat baik untuk anak-anak (dan untuk orang dewasa, sungguh dosa).

Namun, konstruktor penuh warna ini tidak hanya menjadi hiburan yang sangat baik untuk segala usia, tetapi juga merupakan komponen yang sangat berguna dari kulkas pengenceran, yang digunakan dalam pengembangan komputer kuantum. Para ilmuwan dari University of Lancaster (UK) memutuskan untuk melakukan percobaan pembekuan blok LEGO ke suhu mendekati nol absolut (−273,15 ° C). Eksperimen yang tampaknya aneh ini menunjukkan hasil yang sangat menarik, yang detailnya akan kita pelajari dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Sejarah Singkat LEGO

Mengingat bahwa karakter utama percobaan ini adalah LEGO, tidak sopan untuk tidak memberi tahu beberapa fakta tentang konstruktor ini.

Hampir semua bagian LEGO terbuat dari plastik, khususnya plastik ABS (acrylonitrile butadiene styrene atau (C ₈ H ₈ ) _x · (C ₄ H ₆ ) _y · (C ₃ H ₃ N) _z ). Namun, pada tahun-tahun awal keberadaannya, dari tahun 1932 hingga 1949, LEGO memproduksi mainan kayu.


Ole Kirk Christiansen, 1957

Perusahaan ini didirikan di Denmark oleh Ola Kirk Christiansen. Pria yang mengubah cara orang dewasa berpikir tentang mainan untuk anak-anak lahir pada tahun 1891 menjadi keluarga petani yang agak miskin. Sejak usia empat belas tahun, Ole, di bawah bimbingan saudara lelakinya, mulai mempelajari keterampilan seorang tukang kayu, yang kemudian ia libatkan, tetapi sudah di luar Denmark (dari 1911 hingga 1916 ia bekerja di Jerman dan Norwegia).

Kembali ke tanah kelahirannya pada tahun 1916, Ole, setelah menghabiskan seluruh tabungannya, membeli toko pertukangan dan gudang kayu, tempat dia tinggal dan pada saat yang sama berdagang kayu dan produk kayu.

Sebuah bisnis kecil tapi menguntungkan memungkinkan pada tahun 1930 untuk mendirikan perusahaan sendiri untuk produksi barang-barang rumah tangga, sebagian besar di antaranya adalah tangga dan papan setrika. Namun, ekonomi di 30-an bukan yang paling stabil, banyak perusahaan ditutup atau menderita kerugian besar. Perusahaan Christiansen tidak terkecuali.

Dan di sini perlu dilakukan penyimpangan kecil. Ole pada tahun 1916 menikahi seorang gadis dari Norwegia bernama Kirstina Serensen, yang melahirkan empat putra baginya. Sayangnya, Kirstina meninggal pada tahun 1932.


Sebuah film animasi kecil, The LEGO Story, difilmkan untuk menghormati peringatan ke-80 perusahaan (2012).

Mari kita kembali ke urusan bisnis. Karena krisis, sesuatu yang baru, populer dan menguntungkan diperlukan. Ole dan putranya, Gottfried, mulai membuat mainan kayu. Jadi ada perusahaan LEGO, yang namanya dalam bahasa Latin diterjemahkan sebagai "kumpulkan". Sangat lucu bahwa di perusahaan, sekarang terkenal di seluruh dunia, pada tahun-tahun awal hanya 7 orang yang bekerja.

Sejak 1947, LEGO mulai memproduksi bukan kayu, tetapi kubus plastik, tempat bagian cembung khusus muncul, yang berfungsi untuk menghubungkan kubus satu sama lain.


Salah satu set pertama yang muncul dengan saudaraku (eh, nostalgia).

Ole Christiansen benar-benar merevolusi dunia mainan. "Bahan utama" LEGO adalah imajinasi, pemikiran dan kreativitas. Anak-anak, bermain dengan perancang, dapat menciptakan seluruh dunia yang penuh dengan karakter luar biasa, bangunan luar biasa dan kisah memilukan. Anak-anak tidak bodoh, mereka melihat dunia secara berbeda, mereka menjelajahinya, membongkarnya menjadi komponen blok, seperti konstruktor. Ole Christiansen yakin akan hal ini, dan sebagai paman dari dua gadis hebat yang memuja desainer, saya dapat dengan yakin mengatakan bahwa dia benar.

Tapi bukan mainan tunggal, jadi untuk berbicara. Dalam penelitian kami hari ini, balok LEGO selamat dari flu yang luar biasa. Mengapa para ilmuwan memutuskan untuk membekukan konstruktor? Jawabannya cukup dangkal - untuk melihat apa yang terjadi. Keingintahuan mereka lebih dari sekadar dibenarkan.

Selama percobaan, blok LEGO (selanjutnya disebut sebagai sampel) terpapar suhu mulai dari 70 mK (millikelvin, 1 mK = 10 ^-3 K) hingga 1,8 K. Akibatnya, hukum daya konduktivitas termal sampel diturunkan:

κ = (8,7 ± 0,3) x 10 ^-5 T ^{1,75 ± 0,2} WK ^-1 m ^-1

Ternyata, blok LEGO dapat menjadi isolator panas yang sangat baik, karena strukturnya yang tidak biasa. Dan bahan dengan konduktivitas termal rendah diperlukan untuk isolasi termal komponen kriogenik. Saat ini, bahan-bahan tersebut banyak digunakan dalam pembuatan komputer kuantum yang mengandalkan suhu rendah yang terisolasi untuk operasi normal. Sekarang sudah ada polimer Vespel , yang menunjukkan isolasi termal yang baik, tetapi cukup mahal untuk diproduksi, yang tidak dapat dikatakan tentang blok LEGO yang terbuat dari plastik ABS yang tersebar luas.

Hasil penelitian

Gambar No. 1: pengaturan eksperimental.

Dalam percobaan, 4 blok digunakan terhubung bersama. Sampel ditempatkan di kulkas pembubaran * dibuat di University of Lancaster * .

Kulkas Pembubaran * adalah unit kriogenik yang menggunakan dua isotop helium: ³ He dan ⁴ He. Ketika suhu mencapai 700 mK dan lebih rendah, campuran mengalami pemisahan fase spontan, membentuk yang baru: kaya ³ He dan kaya ⁴ He.

Koneksi antara blok dilakukan dengan menggunakan geometri blok itu sendiri, yaitu, tanpa menggunakan bahan perekat. Tinggi total sampel adalah 40,2 mm, luasnya 502 mm ² , dan beratnya 9,28 g. Pada bagian atas dan bawah sampel adalah pelat tembaga (kontak), dipasang menggunakan pelumas vakum untuk meningkatkan kontak termal.

Pelat tembaga bagian bawah terhubung secara termal ke ruang pencampur kulkas. Pemanas manganin berkabel 3 ”(paduan tembaga, mangan, dan nikel) dan termometer resistansi dihubungkan ke platinum atas. Sebelum percobaan, suhu pelat bawah dijaga pada T _rendah ≈ 4,5 mK selama 9 hari. Untuk mengukur konduktivitas termal, tingkat panas Q yang konstan diterapkan pada pelat atas.Setelah stabilisasi suhu pelat atas (T _tinggi ), pengukuran langsung dilakukan. Kebocoran panas terdeteksi dari bahan sampel itu sendiri, yang tetap pada tingkat yang sama selama percobaan: Q ₀ = 3,2 x 10 ^-10 W (3,4 x 10 ^-11 Wg ^-1 ).

Seperti yang dikatakan para peneliti sendiri, untuk konduktivitas termal isolator pada suhu jauh di bawah suhu Debye, ungkapan κ = λT ⁿ dapat digunakan, di mana κ adalah koefisien konduktivitas termal.

Konstanta λ dan n dapat ditentukan dengan mencocokkan data eksperimental dengan ekspresi:

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

di mana T _tinggi dan T _rendah - suhu tinggi dan rendah di atas seluruh struktur sampel.


Gambar No. 2

Grafik di atas menunjukkan hasil Q yang diukur dibandingkan dengan T _tinggi untuk struktur ABS modular.

Konduktivitas termal dalam bahan plastik pada suhu yang sangat rendah menunjukkan ketergantungan T ⁿ pada n dalam kisaran 1,7-2,46. Juga ditemukan bahwa konduktivitas termal dari struktur ABS modular anisotropik akan sangat bergantung pada sumbu pengukuran.

Selain itu, menjadi jelas bahwa struktur ABS LEGO memiliki konduktivitas termal jauh lebih rendah daripada salah satu isolator panas volumetrik terbaik di pasar ( Macor * ). Tingkat isolasi termal yang demikian tinggi kemungkinan besar disediakan oleh resistansi kontak pada sambungan blok LEGO.

Macor * adalah keramik gelas dengan isolasi termal tingkat tinggi, menjaga stabilitas pada 1000 ° C. Makor terdiri dari: 46% silikon dioksida (SiO ₂ ), 17% magnesium oksida (MgO), 16% aluminium oksida (Al ₂ O ₃ ), 10% kalium oksida (K ₂ O), 7% boron trioksida (B ₂ O ₃ ), 4% fluor (F).

Ketika kekuatan ≈400 nW diterapkan pada pelat atas, suhu pelat atas naik sebesar 1 K, tetapi suhu pelat bawah tetap tidak berubah. Sebagai perbandingan: struktur Vespel-SP22 dengan dimensi yang sama dengan struktur ABS LEGO harus memiliki ketebalan dinding kurang dari 300 mikron untuk mencapai tingkat isolasi yang sama.

Pada saat yang sama, blok "3001" (nomor item dari blok) LEGO memiliki ketebalan dinding sekitar 1,2 mm. Untuk membuat blok dengan dinding seperti itu jauh lebih mudah. Namun ketebalan 1,2 mm masih cukup kecil, namun, unit LEGO mampu menahan beban ≈ 300 kg dalam pengepres hidrolik. Tes kekuatan seperti itu menunjukkan bahwa struktur blok, meskipun ada rongga di dalamnya, memiliki tingkat stabilitas mekanik yang cukup tinggi. Oleh karena itu, dari sudut pandang mekanis, unit LEGO dapat menahan setiap percobaan kriogenik yang wajar.

Kompresi termal dari struktur ABS pada pendinginan dari suhu kamar menjadi 4,2 K adalah 1,5% (Vespel 0,6%), yang juga merupakan indikator penting.


Dalam video ini, penulis penelitian berbicara tentang pekerjaan mereka dan menunjukkan hasil ego.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog

Dalam percobaan ini, adalah mungkin untuk mengetahui bahwa blok perancang LEGO yang biasa memiliki sifat yang luar biasa, terutama mengingat bahwa ini adalah plastik ABS biasa, dan bukan beberapa bahan super.

Dalam percobaan dengan blok LEGO yang meliputi area 502 mm ² , hanya 400 nW daya yang diperlukan untuk mencapai kisaran suhu dari 100 mK hingga 1 K. Selain itu, perubahan suhu pelat atas tidak mempengaruhi suhu yang lebih rendah, yang menunjukkan tingkat isolasi termal yang tinggi.



Dari sudut pandang material, unit LEGO sama sekali tidak lebih baik daripada isolator seperti Vespel atau Macor. Namun, keunggulannya dibandingkan pesaing tidak terletak pada materi, tetapi pada geometri struktur: keberadaan rongga di dalam setiap blok dan hubungan yang erat antara blok (diagram di atas).

Hasil percobaan dengan blok LEGO menunjukkan bahwa struktur serupa yang terbuat dari bahan yang tersedia luas (plastik ABS) dapat dibuat kembali pada printer 3D.

Menggabungkan kemampuan pencetakan 3D dan pengetahuan yang diperoleh dari studi ini, adalah mungkin untuk membuat struktur baru yang sifat insulasi, mekanik dan bahkan listriknya akan dimodelkan terlebih dahulu untuk tugas-tugas tertentu. Jangan lupa tentang biaya produksinya. Jadi, selembar Vespel dengan luas 100 cm ² berharga tentang seluruh pemasangan printer 3D, yang diperlukan untuk mencetak struktur ABS. Fakta penting dari sudut pandang lingkungan adalah fakta bahwa ABS dapat digunakan kembali, tidak seperti Vespel yang sama.

Kadang-kadang hal-hal paling sederhana pada pandangan pertama memiliki sifat tersembunyi yang luar biasa yang pada awalnya tidak ditetapkan oleh pencipta di dalamnya. Untuk menemukannya, Anda perlu melihat benda-benda ini dari sudut baru dan tanyakan pada diri sendiri pertanyaan yang orang lain anggap bodoh, seperti "apa yang terjadi jika LEGO didorong ke instalasi kriogenik dan dibekukan hingga nol mutlak?".

Beberapa penemuan melihat cahaya melalui perhitungan panjang, melelahkan dan sangat kompleks, penelitian teoritis dan perenungan dari setiap hasil yang mungkin. Yang lain menjadi gagasan kebetulan atau keingintahuan ilmiah sederhana, yang harus dimiliki ilmuwan mana pun. Karena jika seorang ilmuwan tidak ingin tahu lebih banyak tentang dunia di sekitar kita, dia mungkin akan terjebak dalam penemuan yang dibuat sebelumnya.

Tahun Baru off-top

2019 pasti akan sampai pada kesimpulan logisnya. Selama tahun ini banyak peristiwa terjadi di dunia, baik yang menginspirasi dan sedih. Tetapi, tidak peduli kesulitan apa yang menghalangi umat manusia, komunitas ilmiah terus bekerja untuk kebaikannya. Dalam sains modern seharusnya tidak ada negara, bendera, warna dan bahasa, dalam sains modern harus ada semangat umum untuk membuat seluruh dunia menjadi tempat yang lebih baik, tanpa membaginya dengan batas geopolitik atau etnis.

Kita jauh dari utopia, jauh dari masa depan futuristik yang cerah, yang digambarkan oleh penulis fiksi ilmiah dengan penuh semangat. Tetapi ini tidak berarti bahwa kita harus berdiri diam atau, lebih buruk, mundur.

Kita harus ingat bahwa tidak perlu menjadi seorang ilmuwan untuk mencintai dan tertarik pada sains. Anak-anak adalah contoh utama. Keponakan saya tidak memiliki gelar doktor, mereka tidak lulus dari universitas dan tidak menulis disertasi, mereka masih jauh dari sekolah, tetapi di mata mereka saya melihat keinginan yang kuat untuk memahami dunia besar yang mengelilingi mereka.

Saya sering mendengar dan melihat kata-kata "tetaplah anak-anak." Mereka diucapkan dalam konteks jiwa, emosi, penglihatan dunia, dan banyak lagi. Bagi saya, frasa ini bagus untuk dunia sains. Sisakan anak-anak yang rasa ingin tahu dan keinginannya untuk memahami tidak memiliki batasan, karena tidak ada batasan untuk sains.

Selamat Tahun Baru, teman-teman terkasih, dan semoga penuh dengan pertanyaan dan jawaban baru, jatuh bangun, pertengkaran dan rekonsiliasi, perpisahan dan pertemuan, karena itu adalah hidup kita - sulit, kadang tidak dapat diprediksi, tetapi sangat menarik. Selamat liburan! :)

Sedikit iklan :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?