Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

До сих пор не понимаю, откуда он возник прямо у меня перед носом. Я ударил по тормозам, и меня отбросило с водительского сиденья на лобовое стекло. В память врезался момент удара, внезапный стоп-кадр, когда стекло вокруг меня покрылось трещинами. Непередаваемое ощущение. Было похоже, словно я врезался в стену из прозрачных кусочков имбирного печенья.

Песок – это множество микроскопических камешков, отколовшихся от скал под воздействием ветра, волн и других испытаний, выпадающих на долю камня. Вглядевшись в песчинки, можно увидеть, что по большей части они состоят из кристаллов диоксида кремния – то есть кварца. В мире существуют огромные запасы кварца, потому что его молекулы ( SiO 2 ) – это продукт реакции двух самых распространенных элементов земной коры: кислорода и кремния. Кристалл кварца – это всего лишь регулярно расположенные молекулы кварца, точно так же как кристалл льда – это регулярно расположенные молекулы Н 2О , а железо – регулярно расположенные атомы железа.

При нагревании молекулы диоксида кремния получают энергию и вибрируют, однако до достижения определенной температуры они не смогут разорвать связи, удерживающие их вместе. Такова особенность любого твердого тела. При дальнейшем нагревании энергия вибраций достигнет критической величины – точки плавления, и тогда молекулы смогут разорвать связи и разлететься в беспорядке, став жидким диоксидом кремния. Молекулы воды делают то же самое, когда тают кристаллики льда. Но между водой и диоксидом кремния есть важное различие.

Если заморозить талую воду, ее молекулы, как все мы хорошо знаем, с легкостью опять превратятся в лед. Это происходит снова и снова: и лед, мешающий открыть морозилку, и снег, покрывающий горные вершины, – все это вода, повторно замороженная до состояния кристаллов. Симметричной структуре молекул воды снежинки обязаны изяществом своих узоров.

Воду можно нагревать и замораживать сколько угодно, и каждый раз кристаллы будут менять форму. С диоксидом кремния все иначе. Когда жидкий диоксид остывает, его молекулам очень сложно опять образовать кристалл, как будто они не могут припомнить, как это делается: какая молекула и куда должна встать, кто за кем следует. По мере остывания молекулы теряют энергию и, соответственно, подвижность: им все сложнее занять правильное место в кристаллической решетке. В результате образуется твердый материал с хаотичной молекулярной структурой жидкости – стекло.

Различие между кристаллом кварца и аморфным стеклом

Поскольку все, что нужно для создания стекла, – это невозможность сформировать кристалл, может показаться, что сделать стекло довольно легко. Но это не так. Разведите огонь в пустыне, пусть ветер раздует пламя – возможно, вам удастся раскалить песок так, что он расплавится в полупрозрачную вязкую жидкость, которая затвердеет после остывания и действительно станет стеклом. Но почти наверняка оно будет бурым, слоистым, со множеством твердых, нерасплавленных песчинок и вскоре рассыплется, снова обратясь в песок пустыни.

Трудностей тут две. Во-первых, минеральный состав большей части песка не позволяет сделать из него хорошее стекло: в химии бурый цвет считается тревожным знаком, подсказкой, что в материале полно мусора. Это как с красками: бессистемное смешение цветов дает нечто серо-бурое, грязь. Хотя некоторые добавки, так называемые флюсы, например карбонат натрия (сода), способствуют образованию качественного стекла, большинство примесей этому только мешает. Песок действительно состоит в основном из кварца, но ветром в него наносит много всякой всячины. И второе: даже если бы песок имел правильный химический состав, температура, необходимая для его плавления, составляет около 1200 °C, что гораздо выше температуры обычного пламени – 700–800 °C.

Впрочем, молния может выполнить работу огня. Удар молнии раскаляет место удара до температуры свыше 10 000 °C – более чем достаточно для плавления. В местах удара находят стеклянные стержни под названием фульгуриты. Эти причудливые обуглившиеся тела – точь-в-точь молнии, которые, говорят, швырял в порыве гнева скандинавский бог Тор. Само слово происходит от латинского fulgur , что значит «молния». Стеклянные стержни на удивление мало весят, поскольку они полые. Шершавые снаружи, они обладают гладкой внутренней поверхностью, которая получается за счет испарения песка в момент удара. Из дыры, пробитой молнией, горячий воздух устремляется вверх, а расплавленный песок выстилает стенки воздушной трубки. После этого жáра хватает лишь на то, чтобы сварить вместе остывшие песчинки и образовать шершавую оболочку.

Такие фульгуриты находят в Ливийской пустыне

Цвет фульгуритов зависит от состава песка; так, например, кварцевые стержни прозрачны. Попадаются и серо-черные фульгуриты. В длину эти образования могут достигать пятнадцати метров. Они весьма хрупки, поскольку в основном состоят из полурасплавленного песка. До недавнего времени они считались не более чем курьезом природы. Но, поскольку с самого начала в них попадают пузырьки воздуха, то древние фульгуриты могут сообщить ценные сведения о климате пустынь в далекие эпохи, а значит, пролить свет на глобальное потепление.

В Ливийской пустыне есть участок исключительно чистого, белого, почти беспримесного кварцевого песка. Если как следует поискать, здесь можно обнаружить редкую форму стекла, не уступающего в прозрачности современному и совсем не похожего на грязноватый и шершавый фульгурит. Из куска такого пустынного стекла сделана центральная часть украшения в виде жука-скарабея, найденного в гробнице Тутанхамона. Известно, что ливийское стекло не было изделием древних египтян, поскольку его возраст, по недавним подсчетам специалистов, составляет 26 миллионов лет. Единственный известный аналог был найден в 1942 году после испытаний ядерной бомбы «Тринити» на полигоне «Белые пески» в штате Невада. Поскольку 26 миллионов лет назад в Ливийской пустыне не взрывали никакой атомной бомбы, остается только предположить, что экстремально высокая температура, необходимая для образования оптически чистого стекла, стала следствием падения метеорита, сопровождавшегося гигантским выбросом энергии.

Нагрудное украшение со скарабеем, найденное на мумии Тутанхамона. Фигура жука выполнена из пустынного стекла