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

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.

Микрочипам соразмерны живые клетки, кристаллы железа, волокна целлюлозы и фибробетона. На этом же уровне мы находим еще один замечательный искусственный объект – шоколадную микроструктуру. Шесть видов кристаллической решетки какао-масла, с разной температурой плавления, образуют смешанную текстуру шоколада. В той же группе – кристаллы сахара и крупицы какао-порошка, содержащие молекулы шоколадного вкуса и аромата. Управляя данной микроструктурой, можно варьировать вкус и консистенцию шоколада – в этом, как правило, и заключается мастерство шоколатье.

На микроуровне материаловеды создают структуры, способные манипулировать светом. Так называемые метаматериалы обладают переменным коэффициентом преломления, то есть могут преломлять свет как угодно. Уже появились экраны невидимости с отрицательным коэффициентом преломления. Их устанавливают вокруг объекта: с какой стороны ни посмотри, он выглядит прозрачным.

Макроуровень объединяет атомные, нано– и микроструктуры. Это предел того, что человек может увидеть невооруженным глазом. Хороший пример такой структуры – сенсорный экран мобильного телефона. На вид он идеально гладкий и однородный, но стоит капнуть водой, и вы, как под увеличительным стеклом, увидите, что в действительности он состоит из крошечных зеленых, красных и синих точек. Всеми этими малюсенькими жидкими кристаллами можно управлять по отдельности и создавать доступные глазу комбинации, представляющие все цвета видимого спектра, при этом их можно включать и выключать достаточно быстро, чтобы смотреть кино в хорошем качестве. Другой пример полезных изменений на макроуровне – фарфор. Стеклянные и кристаллические структуры в его составе образуют прочный, гладкий и оптически динамичный материал.

Миниатюрный уровень – это сочетание атомных, нано-, микро– и макроструктур, видимое невооруженным глазом. Это масштаб нитки, волоска, иголки, линий шрифта, которым набраны слова, которые вы сейчас читаете. Если вы посмотрите на древесный срез или проведете по нему ладонью, вы увидите и почувствуете все эти структуры на миниатюрном уровне. Именно такое строение придает древесине особые осязательные характеристики: твердая, но не слишком жесткая, легкая, теплая. Миниатюрной структурой обладают веревки, покрывала, ковры и, самое главное, одежда. Прочность, эластичность, запах и тактильные свойства этих материалов – результат сочетания всех структур. Хлопковая нить внешне очень похожа на шелковую или кевларовую, но именно скрытые от глаз особенности их атомных, нано-, микро-, макро– и миниатюрных структур определяют разницу между плотной тканью, способной защитить от удара ножа, и гладким и приятным на ощупь атласом. Как раз на макроуровне мы задействуем осязание.