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

Это другой тип будущего, отличный от того, который предлагает тканевая инженерия: царство бионики, в котором наши движения и физический контакт с миром все больше зависят от синтетических и электронных посредников. О таком будущем грезили создатели «Человека на шесть миллионов долларов», именно эта технология сделала героя «лучше, сильнее, быстрее». По нынешнему курсу те шесть миллионов составляют миллионов тридцать пять – цифра, конечно, взята с потолка, но технологии по продлению жизни действительно очень дороги. Чтобы дожить до ста лет здоровым и полным сил, придется выложить кучу денег. Нам или кому-то вместо нас? Станет ли эта технология предметом роскоши? Только ли богачи в свои девяносто восемь будут играть в теннис, тогда как остальным уготованы инвалидные кресла? Или же мы просто сможем дольше работать – вплоть до восьмидесяти или девяноста лет? Я бы предпочел последнее, но если это и правда будет стоит тридцать пять миллионов долларов, большинство людей никогда не сможет позволить себе такое будущее, сколько бы они ни вкалывали.

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.

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.