Джон Браун - Семь элементов, которые изменили мир

В течение 2000 лет с тех пор, как Аристотель написал свой труд «De Coloribus», считалось: все цвета возникают из различных комбинаций черного и белого – двух крайностей цветовосприятия. Согласно этой теории, цвета радуги фактически добавлялись к белому самой призмой. Опровергая это утверждение, Ньютон использовал идентичную призму, показав: спектр может быть снова преобразован в исходный чисто-белый свет. Ньютон продемонстрировал, что цвет – внутреннее свойство белого света. Так он «расплел радугу» [16].

Ньютон разделил спектр на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый; число семь было выбрано в соответствии с представлениями о семи музыкальных нотах и семи небесных сферах. «Но наиболее удивительной и чудесной комбинацией, – писал Ньютон, – оказывается белый свет. Он составной. Белый свет можно назвать главным цветом радуги: из него возникают все остальные цвета» [17].

Солнечный свет, в отличие от золотистого солнца, белый и содержит весь спектр цветов. Солнце излучает разные цвета в разных пропорциях, которые после объединения создают ощущение белого [18]. И это не случайно: наши глаза эволюционировали на протяжении миллиардов лет таким образом, чтобы они могли воспринимать солнечный свет как самый яркий источник белого. Мы видим предметы белыми, когда они отражают свет разных цветов в той же пропорции, в какой цвета излучаются солнцем. Белый, по сути, – имитация солнечного света; мы красим предметы белым, чтобы они были яркими и заметными.

Золотистый, напротив, – отражение солнечного диска в небе, белое изображение которого золотится в результате дисперсии лучей света в атмосфере Земли [19]. Мы боготворим солнце и потому придаем высокую ценность золоту. Но так как белый свет распространяется повсюду, мы его практически не замечаем.

С тех пор как люди начали жить в пещерах, они всегда стремились создать безопасную и комфортную среду для спокойного существования их семей и более крупных человеческих сообществ. Мы возвели отделяющие нас от природы барьеры между собой и землей, дождем, ветром. Окрашивая стены жилищ в белый цвет, мы утверждаем господство над силами природы, которые непрерывно разрушают, портят и загрязняют возведенные людьми строения. Белые интерьеры наших домов и офисов создают яркий блеск, сравнимый с блеском солнца.

На первый взгляд белизна, обеспечиваемая двуокисью титана, выглядит менее впечатляющей, чем создание сверхзвукового самолета или глубоководных субмарин. Но посмотрим внимательнее и обнаружим: достичь белоснежного сияния, которое ассоциируется с титаном, технологически не менее сложно, чем создать титановый фюзеляж самолета «Блэкберд». Двуокись титана – не только исключительно яркая, но и клинически чистая. Крошечные частицы двуокиси титана поглощают ультрафиолетовое излучение солнца. Стена, покрытая ими, рассеивает энергию ультрафиолета, убивающую микробов на поверхности. Тончайший слой наночастиц на оконном стекле абсолютно прозрачен, но он поглощает УФ-излучение, которое осуществляет «санитарную обработку» поверхности. Покрытие также придает стеклу водоотталкивающее свойство: когда дождь барабанит по стеклу, на нем не образуется капель, и тонкий слой воды уносит продукты разложения грязи [20]. Недавно тот же принцип был положен в основу создания самочистящейся одежды [21]. Поглощая и одновременно отражая свет, двуокись титана образует безукоризненно чистую среду, в которой мы предпочитаем жить.

Уникальные свойства двуокиси титана также проявляются во взаимодействии с электронами. Подобно кремнию, двуокись титана – полупроводник, и может использоваться для получения электрического тока в фотоэлектрических элементах солнечных батарей. В то время как кремний и поглощает свет, и содержит электроны для передачи электрического тока, титан чувствителен лишь к ультрафиолетовому излучению. Это делает двуокись титана очень полезной в солнечных экранах, так как, хотя ультрафиолет вызывает загар, он менее полезен. Чтобы улавливать как можно больше солнечного света, на наночастицы двуокиси титана наносят специальную светочувствительную краску [22].

Технологические инновации часто возникают там, где мы их меньше всего ожидаем. Чтобы глубже рассмотреть титановые фотоэлектрические элементы, мы должны вернуться назад, в конец XIX в., когда разрабатывалась технология фотографии на основе коллоидного серебра. И коллоидное серебро, и двуокись титана сами по себе нечувствительны к излучению большей части видимого спектра. Первые фотоэмульсии были чувствительны только к синим тонам, а излучение красного края спектра не воспринималось ими вовсе. В 1873 г. немецкий фотограф Герман Вильгельм Фогель обнаружил: некоторые краски способны повышать чувствительность фотопластин к излучению разных частей светового спектра. Краски поглощают фотоны, идущие от солнца, и выталкивают электроны. Обладающие энергией электроны взаимодействуют с соседними молекулами коллоидного серебра. Эксперименты Фогеля позволили получать более четкие черно-белые, а затем и цветные фотографии. Сегодня подобные краски используют в фотоэлектрических элементах из двуокиси титана, но испущенные электроны не превращают зерна коллоидного серебра в серебро, а переносятся полупроводником – двуокисью титана – к электродам, генерирующим электроток.

Фотоэлектрические элементы – последний штрих в картине причудливых взаимоотношений титана с солнечным светом. Наряду с титановыми белилами и искусственными красителями, имитирующими свет солнца, а также экранами, защищающими нас от солнечных лучей, двуокись титана может использовать энергию солнца, чтобы вырабатывать электричество.

Титан наряду с ураном и кремнием – одно из трех послевоенных «чудесных» веществ. Каждый из них показывает, как изменяется мир благодаря открытиям. Наиболее впечатляюще это продемонстрировал уран, когда его колоссальная энергия обрушилась на жителей Хиросимы. Однако титан как в военной, так и в гражданской сферах также повлиял на формирование облика послевоенной эпохи. Влияние химических элементов прослеживается ретроспективно на тысячи лет, до эпохи возникновения первых человеческих сообществ. Тем интереснее размышлять о роли трех элементов в истории человечества.

После Второй мировой войны мы были склонны думать: раз для трех чудесных веществ найдено новое применение, то они продолжат изменять мир. Но мы ошибались. После бомбардировки Хиросимы возникла серьезная озабоченность в отношении урана и его будущего практически во всем: от лечения рака до управления климатом. Сегодня мы смотрим на уран со страхом и неуверенностью; светлое атомное будущее, рисовавшееся в 1940-е гг., так никогда и не осуществилось. Титан, когда-то казавшийся превосходным конструкционным материалом, стал использоваться в таких прозаических товарах, как российские наборы кухонных ножей, и теперь применяется главным образом для производства белых красок, то есть совсем не так, как это представлялось 60 лет назад [23]. Но зато из всех послевоенных «чудесных элементов» наибольшее влияние на нашу цивилизацию оказал кремний, сделавший возможным создание небольших, быстродействующих и недорогих компьютеров. Они предоставили нам огромные возможности для обработки информации и осуществления коммуникаций. Так мы изменили отношение к материалу, который многие тысячелетия считался бесполезным и не имеющим никакой ценности песком.

Кремний

Недалеко от древнего города Акко на территории современного Израиля река Нааман, воды которой несут много ила, впадает в Средиземное море. Когда начинается отлив, обнажается чистый белый песок, богатый кварцем. Однажды здесь, как рассказывает Ванноччо Бирингуччо, средневековый мастер по выплавке металлов, группа купцов, «заброшенная сюда по прихоти моря», остановилась, чтобы перекусить [1]. Не найдя на берегу никаких камней, команда принесла с корабля несколько кусков самородной соды, чтобы установить на них котлы. «Готовя пищу, они увидели, что порода в этом месте превратилась в текучее, блестящее вещество. Этот случай дал начало производству стекла» [2].

Совершенно случайно купцы превратили зерна кварца, состоящего только из атомов кремния и кислорода, в предмет всеобщего восхищения. После этого открытия придумали много способов использования стекла: бусы в Древнем Египте, вазы на Ближнем Востоке и зеркала в Венеции [3]. «Благодаря многочисленным экспериментам, добавлению и изъятию различных ингредиентов, – пишет Бирингуччо, – сделано так много, что можно усомниться в возможности продвинуться дальше в этом искусстве. Ибо из стекла изготавливается бесчисленное множество красивых вещей» [4].

Истории стекла 5000 лет. Его уникальные свойства позволяли создавать оригинальные изделия высокой художественной ценности. Способность принимать требуемую форму – не результат использования каких-то особых инструментов, которые много столетий остаются теми же самыми. Метод выдувания изделий, изобретенный в I в. на Ближнем Востоке, по-прежнему остается тем же и сегодня. Непрерывные инновации в изготовлении декоративного стекла, скорее, следствие внутренней тягучести структуры стекла. Когда зерна песка сплавляются с углекислым натрием, возникающая масса настолько тягуча, что в процессе застывания атомы не могут достаточно быстро вернуться в нужное положение, чтобы образовать правильную кристаллическую структуру [5]. Кремний и кислород «вмерзают» в неупорядоченную структуру, напоминающую жидкость и поэтому принимающую практически любую форму [6]. Хаотичная атомная структура также допускает включение атомов других элементов. Добавив небольшое количество примесей, можно делать стекло с разными оптическими свойствами: прозрачное, полупрозрачное, непрозрачное и опаловое. И все это – в бесконечно многообразной цветовой гамме.