Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
По всей вероятности, я доживу до девяноста восьми лет. Сгорблюсь ли я и стану вполовину меньше ростом, буду ходить медленно, с палочкой, как мой дед, или мой удел – резвиться с внуками на спортплощадке, – во многом зависит от успехов биомедицины, а также от состояния экономики. Впрочем, я очень надеюсь, что монотонные заклинания моих братьев: «Мы можем собрать его заново, он будет лучше, быстрее, сильнее…» когда-нибудь станут явью. Немножко бессмертия мне бы не повредило.
11. Эпилог
В этой книге я тщательно препарировал материальный мир. Я хотел показать, что материалы – это не просто разноцветные комки вещества, но еще и сгустки наших желаний и потребностей. Чтобы нам было где жить и во что одеваться, чтобы лакомиться шоколадом и смотреть кино, мы сделали замечательную вещь – проникли в сложную структуру материалов. Этот способ познания мира называется материаловедением, ему уже несколько тысяч лет, и он такое же человеческое достижение, как другие науки, музыка, изобразительное искусство, кинематограф, литература, о которых мы знаем гораздо больше. Эту последнюю главу я посвящаю языку материаловедения – с его помощью можно понять и описать сущность любого материала, а не только тех, которые мы подробно рассмотрели в этой книге.
Общий подход таков: материал не бывает цельным и однородным, это обман чувств. На самом деле материалы состоят из множества связанных между собой разнородных элементов, которые можно обнаружить на разных уровнях. Любой материал подобен матрешке – многочисленные структуры (почти все незаметны глазу) вложены одна в другую, идеально совпадая в пропорциях. Именно такая иерархическая архитектура делает каждый материал сложным и уникальным, в буквальном смысле делает и нас такими, какие мы есть.
Одной из наиболее фундаментальных материальных структур являются атомы, но важны и другие. Выше уровнем расположены дислокации, кристаллы, волокна, каркасы, гели и пены (ограничусь здесь структурами, о которых рассказывал, на самом деле их больше). Все это персонажи повести, и каждый вносит вклад в общий замысел. Есть в ней и главные герои, но понять до конца, почему материал ведет себя так или иначе, можно, лишь проследив за всеми участниками истории. Как мы уже видели, ложка из нержавеющей стали не имеет собственного вкуса, потому что атомы хрома внутри ее кристаллов вступают в реакцию с кислородом, компонентом воздуха, и образуют на поверхности невидимый защитный слой оксида хрома. Если поскрести по металлу, его не тронет ржавчина: защитный слой восстановится гораздо быстрее. Вот почему мы первое поколение, не ощущающее вкуса столовых приборов. Молекулярное объяснение в данном случае годится, но понимание других свойств нержавеющей стали требует рассмотрения всех ее структур.
Если мы посмотрим на материалы с этой точки зрения, то вскоре увидим, что все они обладают одинаковым набором внутренних структур. (Самый простой пример – все материалы состоят из атомов.) И выяснится, что у металлов много общего с пластмассами, у которых, в свою очередь, много общего с человеческой кожей, с шоколадом и прочими материалами. Чтобы зрительно представить связь между всеми материалами, взгляните на карту матрешковидного материального мира. Обычная карта изображает разные географические объекты в одном масштабе, а наша изображает один и тот же объект – показывает материал изнутри, в разных масштабах.
Начнем, пожалуй, с главного – с атомов. Они приблизительно в десять миллиардов раз меньше нас, поэтому человеческий глаз не различает атомные структуры. На Земле существует 94 природных типа атомов, при этом восемь из них составляют 98,8 % всей массы планеты: железо, кислород, кремний, магний, сера, никель, кальций и алюминий. Остальные, включая углерод, в техническом смысле лишь микроэлементы. Мы умеем превращать некоторые распространенные элементы в редкие, но для этого нужен ядерный реактор, причем стоимость процесса превышает затраты на разработку природного месторождения, да еще и приводит к образованию радиоактивных отходов. Вот почему в наш век золото все еще в цене. Если сложить все золото, когда-либо добытое человечеством, оно легко уместится внутри одного большого особняка. Тем не менее природная редкость некоторых полезных типов атомов, например неодима или платины, не такая большая проблема, поскольку свойства материала определяет не только атомный состав. Как мы уже знаем, разница между твердым прозрачным алмазом и мягким черным графитом не имеет никакого отношения к их атомному составу – оба материала состоят из одного и того же чистого элемента углерода. Коренное различие в их физических свойствах объясняется расположением атомов либо в виде куба, либо в виде слоев шестиугольных пластин. Эти структуры неслучайны – вы не можете создать любую, на свой выбор, – и подчиняются законам квантовой механики, которая трактует атомы не как сингулярные частицы, но как выражение многих волн вероятности. (Вот почему имеет смысл называть структурами как сами атомы, так и их упорядоченные скопления.) Некоторые из квантовых структур образуют свободные электроны, и тогда материал обладает электропроводностью. У графита именно такая структура, поэтому он проводит электричество. В алмазе точно такие же атомы, но в иной структуре не позволяют электронам свободно перемещаться внутри кристалла, поэтому алмазы не проводят электричество. Кстати, подобным же образом объясняется и их прозрачность.
Чудеса природы иллюстрируют тот факт, что даже с весьма ограниченным набором атомных ингредиентов можно создавать материалы с самыми разнообразными свойствами. Прекрасный пример тому – наши тела. Мы сделаны главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота; легкие перестановки в молекулярной структуре элементов, щепотка минералов, таких как кальций и калий, дали широкий ассортимент биоматериалов, от волос до костей. Трудно переоценить философское и технологическое значение этой материаловедческой максимы: чтобы постичь сущность материального объекта, недостаточно знать его базовый химический состав. В конечном счете на ней стоит современный мир.
Следовательно, чтобы создать новый материал, мы должны соединить атомы. Если их наберется около сотни, получится так называемая наноструктура. «Нано» означает «одна миллиардная», этот мир населен телами примерно в миллиард раз меньше нас. Макромолекулы из десятков и сотен атомов образуют более крупные структуры, чем атомы. К этим структурам относятся физиологические белки и жиры; также наночастицы составляют основу пластиков, например нитроцеллюлозы, из которой делают целлулоид, и лигнина, который удаляют из древесины, прежде чем сделать из нее бумагу. Пористая наноструктура образует мелкодисперсную пену, такую как аэрогель. Все материалы, упомянутые в этой книге, проявляют свои характерные признаки на уровне наномолекул, и манипуляции именно с этой структурой существенно влияют на их свойства. Люди применяют нанотехнологии не одну тысячу лет, но косвенно – к примеру, при плавке металла. Когда кузнец ударяет молотом по куску железа, он меняет форму кристаллов, перемещая атомы в кристаллической решетке со скоростью звука. Разумеется, мы не видим этих наноразмерных превращений. На своем уровне мы замечаем лишь, как меняется форма металла. Для нас металл существует в виде цельного куска – вся замысловатая механика кристаллов открылась нам лишь недавно.
Нанотехнологии сегодня у всех на слуху, потому что теперь мы вооружены микроскопами и инструментами для прямого воздействия на эти мельчайшие скопления атомов и можем создать целый ряд новых наноструктур. Например, накопители света, которые сохраняют его в виде электричества, наноизлучатели и даже запахоуловители. Кажется, наши возможности безграничны, но самое интересное, что многие наноструктуры способны к самосборке. То есть материалы умеют сами себя создавать. Звучит пугающе, но на самом деле это полностью укладывается в законы физики. Ведь в чем принципиальная разница между мотором автомобиля и нанодвигателем? В нановерсии преобладают и очень ярко выражены электростатическая сила и поверхностное натяжение, которые удерживают частицы вместе, в то время как сила тяжести очень слаба. На автомобильный двигатель сильнее всего действует земная гравитация, растаскивающая детали двигателя в разные стороны. Можно сконструировать наномашины, которые будут собирать (и чинить) себя сами под действием электростатической силы и поверхностного натяжения. Подобная молекулярная машинерия по большей части уже присутствует в клетках, почему они и способны к самосборке, а вот мы на своем, человеческом, уровне нуждаемся в клее и мускулах.
Наноструктуры все же слишком малы. Чтобы увидеть или хотя бы почувствовать их, приходится собирать их и встраивать в микроскопические структуры, крупнее в десять-сто раз и тоже невидимые, – но с этими уже можно взаимодействовать. Речь идет о грандиозном технологическом достижении XX века – кремниевых микросхемах. Эти мельчайшие скопления кристаллов кремния и электропроводников приводят в движение электронную вселенную. Их миллиарды внутри множества окружающих нас электронных машин. Это они воспроизводят для нас музыку, фотографируют нас на отдыхе, стирают нашу одежду. Они являются искусственным эквивалентом нейронов мозга и по размеру сопоставимы с ядрами клеток человеческого тела. Как ни странно, в них отсутствуют мобильные составляющие, и для управления потоком информации они используют лишь электрические и магнитные свойства материалов.
