Один из способов получения новых материалов — химический синтез.
Процесс этот и долгий, и дорогой, причём из всех затрат только треть приходится на сам синтез, а остальное уходит на разделение компонентов, их очистку и подготовку к обработке. В то же время в живом организме протекают тысячи сложнейших реакций, которые не требуют ни высоких температур, ни больших давлений, ни даже особых затрат энергии. Происходит так потому, что в биологической клетке ходом реакций управляют тончайшие плёнки со сложной структурой — мембраны (от лат. membrana — «кожица»). Они строго избирательно пропускают молекулы одних веществ и задерживают молекулы других, сортируя их по размеру, по величине электрического заряда, его знаку и по другим признакам. Изучение биологических мембран натолкнуло учёных на мысль создать подобную промышленную «технологию». И сегодня разработка искусственных мембран для химической промышленности стала одним из важнейших направлений нанотехники.
Делают такие мембраны разными способами. Из длинных полимерных волокон, например, получают нечто вроде войлока, сквозь который фильтруют растворённые вещества. В сплошной полимерной плёнке пробивают отверстия потоком ионов, разогнанных в ускорителе заряженных частиц. Регулировать размеры дырок в таком «решете» достаточно просто: чем тяжелее ионы, тем отверстия будут больше. Если через подобную мембрану прокачать природный газ, он разделится на дорогостоящий гелий и дешёвый метан. Можно очищать воздух и воду не только от пыли и вредных примесей, но даже от болезнетворных бактерий; можно также очищать химическое сырьё и отделять продукты химических реакций.

Современный ускоритель — это «фабрика» по производству интенсивных пучков частиц
(электронов или в 2 тыс. раз более тяжёлых протонов). Пучок частиц из ускорителя
направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, «мишень»; при соударении с ней
возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение новых частиц и есть цель
опытов.
Соударение частиц высоких энергий совсем не похоже на столкновение шаров при игре в
бильярд. Мир высоких энергий и невообразимо малых расстояний настолько специфичен, что для описания взаимодействий в нём пришлось разрабатывать новую область физики, получившую название квантовой механики. Наиболее простой аналогией столкновения частиц может быть следующая.
Представим себе аварию, при которой лоб в лоб сталкиваются две машины, допустим «Волга» и «Москвич» (идут испытания на надёжность, поэтому жертв нет). В обычной жизни на месте аварии останется груда покорёженного металла, в которой можно, впрочем, разобрать, что было «до того». А в микромире происходит столкновение, возникает вспышка, и с места «аварии» стремительно уезжает «Волга» новой модификации, пара «Запорожцев» и мотоцикл. Именно таковы столкновения в ускорителях: энергия взаимодействия тут же превращается в материю новых микрочастиц. Всё это заранее, до эксперимента, «расписывается» в теоретической модели, а задача исследователя — восстановить картину события по зафиксированным следам частиц.
С помощью специальных устройств — детекторов — эти частицы либо их следы регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц, электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путём сложной математической обработки информации, полученной с детекторов, на ЭВМ восстанавливают всю «историю» взаимодействия и, сопоставив результаты измерений с теоретической моделью, делают выводы: совпадают реальные процессы с построенной моделью или нет. Именно так добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц.
Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на атом «мишени» или на встречную частицу в коллайдере, тем мельче будут «осколки». Сегодня удалось «поймать» самые мелкие частицы, из которых состоит вся материя, — кварки. Будет ли вещество делиться дальше, покажут дальнейшие исследования.

Первым ускорителем стал циклотрон. Он был построен ещё в 1930 г. Э. Лоуренсом в США. Поскольку физический мир устроен по единым законам, все ускорители одного типа, где бы они ни были созданы, похожи друг на друга, как близнецы. У циклотрона есть один большой полый электромагнит, в котором частицы ускоряются по спиральной орбите. В настоящее время новых циклотронов уже не строят, но до сих пор их используют для опытов с ускорением до сравнительно скромных энергий — 20 МэВ. Достичь более высоких энергий с помощью циклотронов не удалось, так как возникли и технические, и физические трудности. В частности, с увеличением энергии частиц начинает проявлять себя предсказанное
A. Эйнштейном увеличение массы с ростом скорости: «тяжёлая» частица испытывает меньшее ускорение. В циклотронах это неизбежно приводило к уменьшению частоты обращения сгустков частиц, ускоряемых по кольцевой орбите. В 1944 г. независимо друг от друга советский физик
B. И. Векслер и американский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть метода заключается в следующем: если определённым образом подобрать поля, частицы будут всё время автоматически попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 г. американские учёные Э. Курант, М. Ливингстон и X. Снайдер предложили так называемую жёсткую фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.
Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Самый мощный находится в США. Он называется «Тэватрон», поскольку в его кольце (длина более б км) с помощью сверхпроводящих магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ = 1000 ГэВ). Крупнейший российский ускоритель У-70, построенный в Институте физики высоких энергий (Московская область, город Протвино), работает с 1967 г. и ускоряет в 1,5-километровом кольце на «обычных» электромагнитах протоны до энергии 76 ГэВ (четвёртый показатель в мире). Здесь же сооружён
подземный кольцевой тоннель длиной 21 км для нового ускорителя, который начнёт
действовать уже в XXI в.
Чтобы достичь ещё более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с
материалом исследуемого физического объекта, можно разогнать «мишень» навстречу
«снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в
особых ускорителях — коллайдерах. Конечно, плотность частиц во встречных пучках не столь
велика, как в материале неподвижной «мишени», поэтому для её увеличения применяют так
называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями»
вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами,
компенсирующими частицам потерю энергии. Именно с коллайдерами учёные связывают
дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в
самых развитых странах мира — в США, Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных
исследований, базирующемся в Швейцарии.

Простейший (и в то же время достаточно сложный) ускоритель электронов есть почти в каждом доме. Это телевизор, вернее, его основная деталь — телевизионная трубка, или кинескоп. Катод кинескопа при нагревании до высокой температуры испускает электроны — элементарные частицы с отрицательным зарядом. Электронный поток попадает в электрическое поле высокого напряжения (около 20 тыс. вольт), которое его ускоряет. Энергия заряженных частиц измеряется в единицах, кратных энергии, приобретаемой электроном при прохождении разности потенциалов поля в 1 В, — электрон-вольтах (эВ). В телевизионной трубке он ускоряется до энергии 20 килоэлектронвольт (1 кэВ = 1000 эВ). Этой энергии хватает, чтобы электрон, попав в люминофор на экране телевизора, заставил его светиться. Однако для решения исследовательских задач энергии не хватит: ведь даже в опытах Резерфорда альфа-частицы имели в сотни раз большую энергию — от 2 до 8 мегаэлектронвольт (1 МэВ = 1 000 000 эВ). Следовательно, нужно либо поставить один за другим много «кинескопов», чтобы в каждом из них частицы приобретали дополнительную энергию, либо заставить пучок частиц проходить один и тот же ускоряющий участок многократно. В первом случае мы получим так называемый линейный ускоритель, а во втором — кольцевой, или циклический. Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители, ибо гораздо дешевле организовать кольцевую траекторию пучка, чем «нанизывать» по прямой однотипные участки, собранные из стандартной, но достаточно сложной и дорогой аппаратуры. Однако там, где высокие энергии не нужны (например, в установках для медицины), предпочтительнее линейные ускорители.
Современный ускоритель — это, вообще говоря, труба, из которой выкачан воздух. В неё «вбрасывают» частицы из вспомогательного ускорителя малой энергии. На трубу, свёрнутую в кольцо, «надеты» ускоряющие блоки (системы электродов, которые создают электрическое поле, ускоряющее частицы) и электромагниты (они заворачивают частицы, заставляя их двигаться по кольцу). Но частицы одного знака имеют тенденцию «расталкиваться». Создать абсолютно безвоздушное пространство в трубе невозможно, поэтому частицы рассеиваются на оставшихся молекулах воздуха. Их фокусируют, т. е. «прижимают» к оси движения, при помощи так называемых магнитных линз. Когда частицы наберут нужную скорость, включается поворотный электромагнит. Он отклоняет их в канал, ведущий к объекту исследования (это, как правило, атомы выбранного для опыта вещества либо внутриатомные частицы).
Существует и другая система классификации ускорителей — по типу ускоряющего электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счёт высокой разности потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует всё время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях «работает» вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «ансамбля» частиц.
Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют в виду в основном кольцевые резонансные ускорители. В зависимости от особенностей режимов ускорения различают несколько типов. Если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени, ускоритель называется циклотроном; если магнитное поле нарастает в течение цикла ускорения — перед нами синхротрон; а если при этом изменяется и частота ускоряющего поля — мы имеем дело с синхрофазотроном. В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются по круговой орбите с постоянной частотой; ускорители для протонов высоких энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США, Швейцарии и России.