Молекулярная структура фуллеренов
В считаные дни углерод стал одной из самых горячих тем в материаловедении, и вскоре появился новый вид углерода, из которого можно было сделать трубочки диаметром всего в несколько нанометров. При всей сложности молекулярной архитектуры эти углеродные нанотрубки обладали редкой способностью к самоорганизации. Без всякой посторонней помощи и высокотехнологичного оборудования они принимали самые замысловатые формы в свечном дыму. Это новое знание было сродни открытию бактерий: мир неожиданно оказался куда более непростым и причудливым местом, чем мы думали раньше. Не только живые организмы, как выяснилось, умеют самоорганизовываться в сложные структуры, но и неживые тоже! Всех охватило страстное желание творить и исследовать наномолекулы. Нанотехнология вошла в моду.
Молекулярная структура углеродных трубок
Углеродные нанотрубки похожи на миниатюрные углеродные волокна, только без слабых связей Ван-дер-Ваальса. Выяснилось, что у них самое высокое отношение прочности к весу среди материалов планеты. Значит, потенциально они достаточно прочны, чтобы построить из них космический лифт. Проблема решена? Не совсем. В длину углеродные нанотрубки имеют самое большее несколько сотен нанометров, в то время как их практическое применение требует длины в несколько метров. В настоящее время сотни исследовательских коллективов по всему миру работают над решением этой задачи. Но команда Андрея Гейма не принадлежит к их числу.
Андрей и его коллеги задались вопросом попроще: если все эти новые формы углерода основаны на гексагональной структуре графита, а графит заполняет слои гексагонального углерода, почему не считать сам графит чудесным материалом? Ответ: потому что эти слои слишком неплотно прилегают друг к другу, и это ослабляет материал. Тогда что будет, если взять лишь один слой гексагонального углерода? Какой выйдет материал?
…Когда Андрей Гейм вернулся с кофе на подносе, я все еще держал на ладони его золотую нобелевскую медаль, чувствуя себя слегка виноватым, хотя он сам дал мне ее посмотреть. Поставив поднос на стол, он забрал у меня медаль и протянул вместо нее кусок чистого графита из рудников графства Камбрия. Гейм сказал, что взял его прямо из шахты, расположенной, выражаясь географически, к северу от его кабинета в Манчестерском университете. Потом он показал, как его научно-исследовательская группа изготовила одинарный слой гексагонального углерода.
Андрей отрезал кусок липкой ленты, прижал к графиту, отдернул – на пленке остался тончайший блестящий металлический отпечаток. Он взял еще один отрезок ленты, прижал его к блестящему отпечатку на первом отрезке и отдернул. Теперь отпечаток разделился надвое. Повторив процедуру пять-шесть раз, Гейм получал все более тонкие слои графита. Наконец он объявил, что получил слой графита толщиной всего в один атом. Я посмотрел на отрезок скотча у него в руках. На нем было несколько темных смазанных пятнышек. Боясь упустить что-то важное, я присмотрелся внимательнее. «Разумеется, – улыбнулся Андрей, – его нельзя увидеть. Он слишком мал и поэтому невидим».
Я усиленно закивал, когда Гейм предложил пройти к микроскопу в соседнюю комнату, где можно было бы увидеть эти одноатомные слои графита.
Андрей и его коллега получили Нобелевскую премию не за то, что создали одинарный слой графита, а за то, что продемонстрировали исключительные, даже по меркам нанотехнологий, свойства этих слоев, которые заслужили собственное наименование – графен.
Начнем с того, что графен – это самый тонкий, прочный и жесткий материал в мире. Он проводит тепло быстрее, чем любой другой известный материал, и он проводит больше электроэнергии, быстрее и с меньшим сопротивлением, чем любой другой материал.
Молекулярная структура графена
Графен допускает туннельный эффект Клейна – необычное явление квантовой природы, при котором электроны внутри материала проходят сквозь барьеры, словно их вовсе нет. В общем, графен потенциально может стать электронной электростанцией и даже заменить кремниевые микросхемы – «сердце» компьютеров и устройств связи. Его необычайная тонкость, прозрачность, прочность и электронные характеристики могут пригодиться в сенсорных интерфейсах будущего, и не только экранах, к которым мы уже привыкли. Возможно, предметы целиком и даже здания будут чувствительны к прикосновениям. Но, вероятно, самый интригующий повод для похвалы графену – его двумерность. Это вовсе не означает, что у него нет толщины. Просто его нельзя сделать ни тоньше, ни толще, не изменив при этом его свойств, – это будет уже другой материал. Что и продемонстрировала команда Андрея: добавьте к графену еще один слой углерода, и он снова станет графитом; снимите один слой, и графен вовсе перестанет существовать.
Учитель рисования Баррингтон не знал этого, когда называл графит более высокой формой углерода, чем алмаз. В техническом смысле, однако, он был кругом прав. Также он был прав, говоря о важности атомной природы графита. Графен – это кирпичик толщиной в один атом, из которого построен графит. Это то, что вы оставляете на бумаге, когда рисуете карандашом. Графит можно использовать лишь как средство художественной выразительности, но его значение гораздо шире – этот материал и его скрученный вариант в виде нанотрубок станут важной частью нашего будущего мира на всех масштабных уровнях: от самого мелкого до самого крупного, от электроники до автомобилей, самолетов, ракет и даже (кто знает?) космических лифтов.
Померк ли алмаз перед графитом, породившим из себя графен? Победил ли графит, неожиданно для всех, в вековом поединке? Говорить окончательно еще рано, но для меня это факт сомнительный. Похоже, и вправду графен даст начало целой эпохе в строительстве. Ученые с инженерами уже сейчас влюблены в новый материал. Но это еще не гарантирует всеобщего признания. Возможно, алмазы уже не самые твердые и нерушимые в мире, и, как нам хорошо известно, они не вечны, однако для большинства людей они символизируют именно эти качества. Алмаз по-прежнему соединяет любящие сердца. Связь между бриллиантом и настоящей любовью, вероятно, возникла из-за рекламной кампании, но теперь она для нас совершенно реальна.
От графена, возможно, больше пользы, чем от алмаза, но он не сверкает, по сути он вообще невидим, неимоверно тонок и лишен объема. Кому захочется сравнивать свою любовь с таким материалом? Я думаю, пока рекламщики не освоят графен, кубические кристаллы углерода останутся лучшими друзьями девушек.
9. Утонченность
В январе 1962 года семья Медовников готовилась к свадьбе моего будущего отца Питера Медовника с его невестой Кэтлин. План церемонии был составлен, приглашения друзьям разосланы, советы насчет религиозной стороны брака между евреем и католичкой поступали нескончаемым потоком, нервы были напряжены до предела, свободная любовь то дозволялась, то не дозволялась, но с подарками для молодоженов давно уже было все решено. Одним из этих подарков был чайный сервиз из костяного фарфора.
Сервиз в большом деревянном ящике доставили из универмага «Харродз» в дом моих родителей. Как только чашки и блюдца появились на свет из опилочной перины, их тут же вымыли и поставили сушиться на полочку над раковиной. Оттуда они впервые взглянули на свой новый дом: пустую, зато просторную кухню в пригороде Лондона. Одна из чашек соскользнула с полки прямо на пол, однако вместо того чтобы разбиться, она, к вящей радости счастливой парочки, отскочила от линолеума. Те удивленно переглянулись, решив, что это хороший знак. Так оно и оказалось: чашки служили им всю их совместную жизнь. На фотографии, сделанной пятьдесят лет спустя, вы видите единственный выживший из того сервиза предмет.
Поначалу фарфоровым чашкам приходилось делить место в шкафу с деревянными чашками, которые привезла из Ирландии моя будущая мама. Должно быть, это приводило их в ужас. Разумеется, дерево, красивый природный материал, обладает особой грубоватой привлекательностью. Его простота и органичность притягательны для страстных поклонников сельской жизни. Однако же отстоять преимущества дерева в качестве сосуда для питья едва ли возможно. У такой посуды сильный деревянный привкус, и она быстро вбирает ароматические вещества, искажая вкус очередного напитка.
Металлические чашки в то время тоже болтались на кухне. По всей видимости, раньше они были частью походного набора и оказались на кухне только потому, что у молодоженов было нечем их заменить. Но для чаепития металл лишь немногим лучше дерева. Каждый день мы кладем в рот металлические столовые приборы, предпочитая металл другим материалам из-за его твердости и прочности, благодаря которой ложки и вилки тонкие и гладкие и при этом не гнутся и не ломаются. Что самое главное, по их блеску и гладкости можно безошибочно определить, насколько хорошо их помыли после того, как они побывали у кого-то во рту. Но металл слишком хорошо проводит тепло, чтобы использовать его для горячих напитков. Еще он издает громкий лязг – звук, который не очень-то гармонирует с изысканным вкусом и ароматом чая.
Металлические чашки в то время тоже болтались на кухне. По всей видимости, раньше они были частью походного набора и оказались на кухне только потому, что у молодоженов было нечем их заменить. Но для чаепития металл лишь немногим лучше дерева. Каждый день мы кладем в рот металлические столовые приборы, предпочитая металл другим материалам из-за его твердости и прочности, благодаря которой ложки и вилки тонкие и гладкие и при этом не гнутся и не ломаются. Что самое главное, по их блеску и гладкости можно безошибочно определить, насколько хорошо их помыли после того, как они побывали у кого-то во рту. Но металл слишком хорошо проводит тепло, чтобы использовать его для горячих напитков. Еще он издает громкий лязг – звук, который не очень-то гармонирует с изысканным вкусом и ароматом чая.
Когда родились мы с братьями, в хозяйстве прибавилось несколько пластиковых чашек. Как и большинство предметов, сделанных специально для детей, они разноцветные и очень прочные, что отлично подходит к тем напиткам, которые в них наливают, – фруктовым, более сладким, чем чай. Вообще-то ощущения от мягкого пластика во рту – тепло, комфорт и безопасность. Такие чашки выглядят забавно и мило, в них словно отражается само детство. Логично, если бы пластиковые стаканчики для сока, повзрослев, превращались в крепкие, твердые и изящные чайные чашки из керамики. Но, к сожалению, они умирают еще в юности – ультрафиолетовые лучи разрушают их изнутри. Каждый пикник стоит пластиковому стаканчику нескольких лет жизни. В конце концов они желтеют, становятся хрупкими, а затем разваливаются на части.
А вот фарфор невосприимчив к ультрафиолетовым лучам и воздействию химикатов. Кроме того, он, как никакой другой материал, не боится царапин. Масла, жиры и большинство красок просто отскакивают от него. Танины, содержащиеся в чае, и некоторые другие вещества все же прилипают к чашке, но их легко отчистить кислотой или отбеливателем. В результате фарфор долго выглядит как новый. На самом деле, если бы не трещина от кромки до ручки да не темный таниновый налет, эта фарфоровая чашка выглядела бы практически так же, как и пятьдесят лет назад. Не много найдется вещей, о которых можно сказать то же самое. Казалось бы, экономнее пить чай из бумажных стаканчиков, ведь бумага относится к перерабатываемым ресурсам. Однако необходимость воскового покрытия для защиты от влаги убивает это преимущество. Посмотрите на фарфор – вот где реальная экономия.
Если даже оставить в стороне практические соображения, общество клеймит позором любой материал для изготовления чайных чашек, кроме фарфора, будь то бумага, пластик, металл или еще что-то другое. Чаепитие означает гораздо большее, чем поглощение жидкости. Это социальный ритуал и торжество неких идеалов. Фарфоровые чашки – необходимая деталь этого ритуала, и, следовательно, должны присутствовать в любом цивилизованном доме.
История о том, как фарфор достиг столь высокого статуса, восходит к далеким временам, когда еще не было ни бумаги, ни пластика, ни стекла, ни даже металла. Когда-то кусок найденной на берегу реки глины уронили в костер и подметили, что там она изменилась до неузнаваемости. Глина не просто высохла, произошло что-то еще, из-за чего она превратилась в новый твердый и прочный материал, почти неотличимый от камня. Из него можно было делать сосуды для сбора и хранения зерна и воды, без которых земледелие и оседлая жизнь едва ли были возможны, равно как и цивилизация в том виде, в каком мы знаем ее сегодня. Примерно через десять тысяч лет эти сосуды стали тем, что мы называем горшками, а незатейливая керамика этого типа – «гончарными изделиями».
И все же эта первая керамика не во всем походила на камень. Она была хрупкой, ломкой, тусклой и пористой (на микроуровне поверхность ее была сплошь в дырах). Терракота и фаянс – современные родственники древней керамики. Они привлекают простотой изготовления, однако ужасно непрочны. Не раз бывало, что я ставил в духовку терракотовое блюдо (обычно я покупал их в отпуске), чтобы приготовить запеканку, а через час обнаруживал, что оно треснуло и подтекает. Казалось бы, духовка – самое безопасное место для керамики, ведь ее и делают в печи, однако терракота часто разрушается именно в духовке. Причина в том, что жидкость попадает в поры, расширяется при нагревании и превращается в пар. Из-за этого внутри поры образуются микротрещины, которые в конце концов соединяются, подобно речным притокам, и выходят на поверхность, что означает конец не только посуде, но зачастую и самому кушанью.
В отличие от металлов, пластика или стекла, керамику нельзя расплавить и вновь отлить в форме. Вернее, у нас просто нет такого материала, который смог бы выдержать температуру, необходимую, чтобы удержать подобную жидкость – расплавленную глину. Керамика создана из той же материи, что и горы, скалы и камни, которые в жидком состоянии – в виде лавы и магмы – заполняют недра Земли. Однако даже если бы лаву можно было извлечь и залить в форму, она никогда бы не стала прочной керамикой – по крайней мере, мы бы ее не узнали и чашка из нее бы не вышла. Вулканическая порода, пористая, с массой дефектов – вот что получилось бы. Так называемые магматические породы формируются миллионы лет в земной коре в условиях постоянного жара и высокого давления. Создание искусственного аналога подразумевает либо химическую реакцию (как в случае с цементом и бетоном), либо, как в гончарном деле, нагревание глины в печи, но не чтобы расплавить ее, а, наоборот, чтобы использовать преимущества весьма необычного свойства кристаллов.
Глина – это смесь стертых в пыль минералов и воды. Подобно песку, минеральная пыль является результатом разрушительного воздействия ветра и воды на горную породу, фактически это крошечные кристаллики. Глина часто откладывается в руслах рек: минералы, смытые дождями со склонов гор, оседают на дне в виде мягкой густой массы. Типы глины различаются в зависимости от минерального состава. Кристаллы терракоты, например, состоят из смеси кварца, глинозема (оксида алюминия) и оксида железа, который придает ей кирпичный цвет.
При нагревании первым делом испаряется жидкость – остается подобие песчаного замка из миниатюрных кристалликов с дырками на месте воды. Но при высокой температуре происходит нечто особенное: атомы перепрыгивают на соседний кристалл и обратно. Впрочем, не все возвращаются в исходную позицию, и постепенно между кристаллами выстраиваются своеобразные мостики из атомов. Когда количество таких мостиков достигает нескольких миллиардов, скопление кристаллов принимает вид единой сплошной массы.
Происходит это по той же причине, по которой два химических вещества вступают в реакцию: хотя электроны каждого атома внутри кристалликов образуют устойчивую химическую связь с соседями – они, так сказать, заняты, – однако по краям и на поверхности кристалла имеются незанятые «бесхозные» электроны, у которых нет пары, – своего рода свободные концы. По этой причине атомы кристалла стремятся занять положение внутри, а не снаружи. Можно и по-другому сказать: атомы, которые оказались на поверхности, непостоянны, свободны и склонны к перемене мест, едва им представится такая возможность.
Во время обжига керамики масса мелких кристаллов преобразуется в физически однородный материал
В холодных кристаллах у атомов, как правило, не хватает энергии сменить позицию. Однако при достаточно высокой температуре они способны к передвижению и начинают перегруппировку таким образом, чтобы как можно меньше атомов оказалось на поверхности кристалла; вследствие этого сама поверхность уменьшается. Они меняют форму кристалла, стягивая пустоты, чтобы плотнее прижаться друг к другу и сэкономить место. Медленно, но верно скопление крошечных кристаллов становится единой массой. Это не чудо, но это чудесно.
Все это, разумеется, лишь теория, однако химический состав некоторых видов глин значительно облегчает этот процесс. Преимущество терракотовой глины заключается в том, что ее легко добыть, а процессы трансформации происходят при относительно низких температурах – например, при температуре горения в обычном костре или простой дровяной печи. Это означает, что для создания терракотовых изделий требуется совсем немного технических познаний и умений. Целые города и поселки построены из этого материала – обычный кирпич, по сути, является терракотой. Однако терракотовая керамика страдает серьезным недостатком: она никогда не избавится от дырок и не станет по-настоящему плотной. Кирпичам это не вредит, им достаточно обладать средней крепостью – ведь с того момента, как их скрепляют бетоном, они не подвергаются ни резким температурным перепадам, ни сильным ударам. Однако для чашек или мисок с тонкими стенками это катастрофа, поскольку от них ждут выносливости перед любыми кухонными невзгодами. Но однажды их терпению приходит предел: слабый удар – и поры дают трещины, которые неумолимо растут.