(Май 2019, idb)
Затертый штамп про «всякое новое как хорошо забытое старое» применяют и часто, и к чему угодно. Но крайне редко – к новейшим хайтек-технологиям передовой науки. Здесь, однако, будет рассказ именно о таком случае…
На сайте научных препринтов arXiv.org недавно выложена весьма примечательная обзорная статья, подготовленная в области междисциплинарных исследований на стыке нанофотоники, геофизики и инженерных аспектов строительства/архитектуры. Авторами работы являются ученые из французского Института Френеля при Марсельском университете, а название у статьи такое: «Роль нанофотоники в рождении сейсмических мегаструктур» (arXiv:1904.05323).
Начиная свой обзор, авторы работы первым делом поясняют, какая тут вообще может быть взаимосвязь между столь разными, казалось бы, вещами как нанофотоника (сочетание оптики и нанотехнологий) и конструирование сейсмоустойчивых зданий. Ведь нанооптика с её фотонными кристаллами и электромагнитными волнами, с одной стороны, и наука геофизика с её сейсмическими волнами землетрясений, со стороны другой, занимаются волнами совершенно разной природы.
В нанофотонике, в частности, исследователи манипулируют электромагнитными излучениями в диапазонах видимого света и прилегающих к нему областей ультрафиолетовых и ближних-инфракрасных частот. То есть в диапазоне волн длиной примерно от 300 до 1200 нанометров. Волны же сейсмические, проходящие через толщу земли и по её поверхности, не только сильно отличаются от природы света, но и имеют совсем-совсем другие длины – порядка десятков и сотен метров.
Физика волн, однако, на всех масштабах имеет по сути одни и те же ключевые особенности. Типа эффектов интерференции и дифракции, то есть усиливающего или гасящего колебания наложения волн, отражения и способностей волн к огибанию встреченных препятствий. А потому при грамотном использовании опыта и математического инструментария исследователям волн удается весьма эффективно переносить достижения одной области в области совершенно другие.
Если же говорить конкретно о нынешней истории, то разработка фотонных кристаллов, теоретически открытых примерно лет тридцать тому назад, в своем развитии шла бок о бок не только c большими достижениями науки в смежных нанотехнологических областях вроде плазмоники и метаматериалов. Все эти совокупные успехи со временем вдохновили ученых и на создание метаповерхностей значительно более крупных масштабов – с линейными размерами порядка десятков метров. Такого рода структуры получили название сейсмические метаматериалы.
Эксперименты ученых и инженеров с сейсмическими метаматериалами, сооружаемыми из зарытых в грунт элементов, убедительно показали, что мощный математический инструментарий, изначально разработанный для фотонных кристаллов и нанооптики, предоставляет отличные возможности и для этой области. Важнейшая среди таких возможностей – существенно новое описание и предсказание тех сложных феноменов во взаимодействиях между землей и возведенными на ней сооружениями, что происходят в периоды сейсмических возмущений.
Впечатляющие успехи на данном направлении – типа работоспособной концепции волнового «плаща-невидимки», защищающего здание от землетрясений – уже ведут ученых и к куда более смелым футуристическим идеям. Ибо те же самые подходы, что помогают при разработке метаструктур, закопанных в грунт, аналогично можно использовать и для изучения совокупных эффектов от уже выстроенных и/или проектируемых к постройке зданий. При таком обобщенном подходе все возводимые на земле сооружения рассматриваются как надповерхностные резонаторы в мегаструктурах типа «мета-городов».
Иначе говоря, грамотно размещая здания с правильными сочетаниями их формы, площадей и высоты, можно заранее обеспечивать повышенную сейсмоустойчивость всего метакомплекса сооружений в целом. Особо же интересно, как подчеркивают авторы обзора, что столь замечательные перспективы для зодчества недалекого будущего попутно должны напоминать нам и о богатейшем наследии архитекторов и строителей древности.
Ибо реальная ситуация здесь такова, что как только разработчики сейсмических метаматериалов разобрались как следует, что и как тут следует делать, то вскоре им открылась и воистину поразительная вещь. Оказалось, что имеется поразительное и несомненное сходство между конструкциями их новейших «плащей-невидимок», защищающих современные здания от землетрясений, и архитектурой некоторых весьма и весьма древних мегаструктур – таких как древнеримские арены-цирки и амфитеатры.
Проанализировав структуру фундаментов нескольких цирков и амфитеатров эпохи Древнего Рима, французских исследователи обнаружили, что изучают, по сути дела, «археологические метаматериалы». То есть инженерные конструкции, которые неявным образом (как минимум) могли обеспечивать защиту сооружений от землетрясений, искривляя прохождение сейсмических волн в обход постройки.
Именно этому открытию и будет посвящен дальнейший рассказ – в проекции на особенности современных метаматериалов оптики и геофизики.
Читать «Археологические метаматериалы, или секретные технологии Древнего Рима» далее
kiwi arXiv 