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.
И вот мы подходим к человеческому уровню – венцу всех предыдущих. Здесь мы встречаем предметы, которые можно повертеть в руках, подцепить вилкой и положить в рот или в которых можно поселиться. Это масштаб скульптуры и живописи, кулинарии и сантехники, ювелирного искусства и архитектуры. Материалы на этом уровне узнаваемы – пластиковые трубы, тюбики масляной краски, камни, буханки хлеба, металлические замки. Опять они выглядят монолитными скоплениями вещества, но мы уже знаем, что это обман зрения. Однако, поскольку глубинные слои материи открываются глазу только при сильном увеличении, лишь в XX веке удалось обнаружить многоуровневую архитектуру материалов. Вот почему одинаковые на вид металлы ведут себя очень по-разному, вот почему одни пластмассы мягкие и эластичные, а другие жесткие и вот почему из песка можно построить небоскреб. Это одно из главных открытий в материаловедении, потому что очень многое объясняет.
Мы умеем создавать новые микроскопические структуры и новые материалы на их основе, но XXI век требует от нас большего: соединить искусственные структуры всех уровней в макроскопическом, соразмерном человеку объекте. Вроде бы хороший пример такой интеграции – смартфоны, сочетающие макромасштабный сенсорный экран с наномасштабной электроникой, но ведь можно вообразить систему, насквозь пронизанную связями, словно нервными импульсами. Если мы создадим такую структуру, тогда, возможно, в один прекрасный день целые комнаты, дома, а то и мосты будут генерировать энергию, направлять ее в нужное место, находить изъяны и самостоятельно их устранять. Фантастика, скажете вы, но не забывайте, что все это уже проделывает живая материя.
Поскольку структуры высшего уровня заключают в себе все предыдущие, то чем крупнее объект, тем сложнее он устроен. Такие сложные материи, как мир субатомных частиц и квантовая механика, на самом деле куда проще, чем, к примеру, петуния. Биологам и медикам это хорошо известно: обе науки всегда доверяли опыту и наблюдениям (и в меньшей степени – теории) именно потому, что предмет их изучения – крупные организмы – слишком сложны и слабо поддаются теоретическому описанию. Но, как показывает наша карта масштабов, живая материя в некотором смысле ничем не отличается от неживой. Кардинальная разница между ними состоит в том, что разные уровни живой материи теснее взаимосвязаны: живая материя без устали себя упорядочивает. Для этого она тянет коммуникации между разными этажами организма. Удар «человеческих» масштабов по неживой материи сказывается на разных уровнях, рождает отклик многих систем – неживая материя может помяться, разбиться, затвердеть, срезонировать. Что касается живой материи, то, заметив опасность, она может принять ответные меры: отпрянуть или приказать организму пуститься наутек. Очевидно, что живое ведет себя по-разному: ветка дерева в большинстве случаев пассивна, словно это неживая материя, а кошачья лапа реагирует весьма живо. Одна из самых больших загадок: что делает материю живой? Неужели связь между структурными уровнями и яркая ответная реакция – это все, что отличает живое от неживого? В подобном предположении нет ничего унизительного для живых существ, зато оно возвышает в наших глазах неживую материю, которая гораздо сложнее, чем кажется.
Несмотря на технический прогресс, материальный состав планеты пока что не претерпел существенных изменений. Есть живая природа, жизнь, и есть неживая – камни, здания, инструменты и т. д. Впрочем, чем больше мы узнаем о материи, тем больше размываются границы. Мы вступаем в новую материальную эру, в эру бионических людей – скоро каждый второй обзаведется органами, костями и даже мозгами из синтетики.
Впрочем, не только тело, искусственное или натуральное, делает нас людьми. Мы ведь живем и в нематериальном, духовном мире – в мире наших мыслей, эмоций, ощущений. Однако тело не вполне отделено от души и, как известно, оказывает на нее сильное влияние. Нам небезразлично, сидим ли мы на мягком диване или на жесткой табуретке. Это потому, что мы извлекаем из материалов не только пользу. Судя по археологическим находкам, как только люди изобрели орудия труда, они тут же принялись мастерить украшения, растирать краски, разрисовывать пещеры и шить одежду из шкур. Все это делалось из эстетических и культурных соображений и двигало технологии вперед на протяжении всей истории. У материалов есть социальное измерение, и мы выбираем их неслучайно. Они что-то значат для нас, они воплощают наши идеалы, и они многое говорят о нас самих.
Материальный мир соткан из смыслов, которые отчасти совпадают с пользой. Металл очень прочный и крепкий, не зря из него делают автомобили, но еще он вызывает ассоциации с надежностью и стойкостью, и конструкторы сознательно это используют. На языке промышленного дизайна металл – символ промышленной революции, с которой началась эра машин и массового транспорта. Не будь у нас металлургии и металлообработки, мы сами были бы другими. Нас восхищает этот материал, и всякий раз, когда мы садимся в поезд или автомобиль, кладем белье в стиральную машину или бреемся, мы доверяем нашей крепкой, надежной, сильной рабочей лошадке – металлу. Материальная культура – вещь непростая, потому что у нее долгая история. Некоторые не любят металл по той же причине, по которой другие им восхищаются, – например, из-за производственных ассоциаций. У материалов много смыслов, так что выбор эпитетов для заглавий в этой книге – лишь один из возможных. Это мое личное предпочтение, и в каждой главе я высказываю свой, личный взгляд, потому что отношения с материальным миром у нас у всех свои, личные.
Материальный мир соткан из смыслов, которые отчасти совпадают с пользой. Металл очень прочный и крепкий, не зря из него делают автомобили, но еще он вызывает ассоциации с надежностью и стойкостью, и конструкторы сознательно это используют. На языке промышленного дизайна металл – символ промышленной революции, с которой началась эра машин и массового транспорта. Не будь у нас металлургии и металлообработки, мы сами были бы другими. Нас восхищает этот материал, и всякий раз, когда мы садимся в поезд или автомобиль, кладем белье в стиральную машину или бреемся, мы доверяем нашей крепкой, надежной, сильной рабочей лошадке – металлу. Материальная культура – вещь непростая, потому что у нее долгая история. Некоторые не любят металл по той же причине, по которой другие им восхищаются, – например, из-за производственных ассоциаций. У материалов много смыслов, так что выбор эпитетов для заглавий в этой книге – лишь один из возможных. Это мое личное предпочтение, и в каждой главе я высказываю свой, личный взгляд, потому что отношения с материальным миром у нас у всех свои, личные.
Сознательно или подсознательно, мы все понимаем, о чем говорят материалы. Поскольку все на свете из чего-то сделано, у нас полна голова смыслов. Ими просто забрасывает нас окружающий мир. В деревне и в городе, в поезде и в самолете, в библиотеке и в торговом центре – они атакуют нас повсюду. Разумеется, дизайнеры и архитекторы сознательно манипулируют смыслами, чтобы одежда, продукты и дома нравились нам, чтобы ими хотелось обладать. Наше коллективное поведение придает силу смыслам и делает их всеобщими. Покупая одежду, мы покупаем образ человека, которым желаем, надеемся или обязаны стать (модные дизайнеры – большие доки по части смыслов). В любом уголке дома – в ванной, гостиной или спальне – обстановка должна отражать наши ценности. А другие люди навязывают нам свои ценности – на рабочем месте, на улице, в аэропорту. Вещи все время что-то отражают, усваивают, сообщают – постоянно перекраивают всемирную карту смыслов.
Однако это дорога двусторонним движением. К примеру, мы мечтаем о более прочных, мягких, водонепроницаемых и дышащих тканях – значит, нам нужно уяснить материальную структуру будущего сырья. Это движет вперед научную мысль, в том числе и материаловедение.
Таким образом, материалы в прямом смысле слова копируют нас, людей, и на всех структурных уровнях выражают наши потребности и желания.
Напоследок – еще раз моя фотография на крыше. Надеюсь, после прочтения этой книги вы посмотрите на нее иными глазами…
Слова благодарности
С юных лет общение с отцом питало мою любознательность. Он был ученым – человеком, который приносил домой бутылочки с кислотой и надписью «Опасно», проводил опыты в мастерской в подвале нашего дома, и еще он купил один из первых калькуляторов фирмы «Тексас Инструментс». У меня три брата: Шон, Арон и Дэн. В детстве мы познавали мир на ощупь: строили, копали, ломали, всюду совали свой нос. Все это происходило под маминым благосклонным взглядом. Она одобряла свежий воздух, еду и причесанные волосы. Мы с братьями облысели еще в молодости и потом уже не могли порадовать мать аккуратными прическами, зато все мы любим готовить, и это ее заслуга. Мне очень грустно, что в декабре 2012 года она умерла и никогда не увидит эту книгу напечатанной.
Всерьез изучать материалы я начал в Оксфордском университете на факультете материаловедения. В связи с этим хочу поблагодарить весь его профессорско-преподавательский состав и сотрудников, и особенно моих научных руководителей Джона Мартина, Криса Гросвенора, Альфреда Черезо, Брайана Дерби, Джорджа Смита, Адриана Саттона, Ангуса Вилкинсона и, конечно же, декана Питера Хирша. Я многому научился у Энди Годфри, с которым делил кабинет, когда был аспирантом.
В 1996 году я окончил Оксфорд, затем работал в США в Сандийских национальных лабораториях, потом в Университетском колледже Дублина на кафедре машиностроения, в Королевском колледже Лондона и, наконец, в Университетском колледже Лондона, где и тружусь по сей день. Многие люди научили меня важным вещам. Но этим людям я обязан особо: Элизабет Холм, Ричарду Лезару, Тони Роллетту, Дэвиду Сроловицу, Валу Рэндлу, Майку Эшби, Алану Карру, Дэвиду Брауни, Питеру Гудхью, Майку Клоуду, Самджиду Маннану, Патрику Мескиде, Крису Лоренцу, Вито Конте, Жозе Мунозу, Марку Литгою, Аосафу Афзалю, Сиан Эде, Ричарду Вентворту, Андреа Селле, Хэрри Витчелу, Бо Лотто, Квентину Куперу, Вивьен Пэрри, Рику Холлу, Алому Шаха, Гэйлу Кардью, Олимпии Браун, Энди Мармери, Хелен Мейнард-Кейсли, Дэну Кендалу, Анне Эванс Фрик, Дэвиду Дугану, Элис Джонс, Хелен Томас, Крису Солту, Натану Бадду, Дэвиду Бригзу, Ишбель Холл, Саре Коннер, Ким Шилингло, Эндрю Коэн, Мишелю Мартину, Брайану Кингу, Деборе Коэн, Шарон Бишоп, Кевину Дрейку и Энтони Финкльштейну.
Также я весьма ценю, что имел возможность сотрудничать с крупными организациями в проведении различных мероприятий и выставок и составлении программ о материалах. Я хотел бы выразить благодарность Научному фестивалю в городе Челтенхем, Лондонскому музею, галерее «Тейт Модерн», Музею Виктории и Альберта, центру искусств «Саутбанк», Королевскому научно-исследовательскому институту Великобритании, Королевской инженерной академии, научной радиостанции «Би-би-си 4», а также научному департаменту телеканала «Би-би-си».
Институт созидания Лондонского университетского колледжа – это особое место, мой интеллектуальный дом. И я хочу поблагодарить его команду за дружбу и поддержку при написании этой книги, а конкретнее таких людей, как Мартин Конрин, Элизабет Корбин, Элли Дони, Ричард Геймстер, Фил Хауз, Зоя Лафлин, Сара Вилкс и Сьюпинья Вонгшрирукша.
Хочу поблагодарить тех, кто просмотрел отдельные главы книги и высказал по ним замечания. Это Фил Пурнелл, Андреа Селла и Стив Прайс.
Есть и те, кто не только комментировал рукопись, пока она только оформлялась, но и поддерживал и вдохновлял меня на этом пути. Выражаю огромную благодарность моему большому другу Базу Бауму, моему дорогому отцу, моим братьям, невесткам, племяннице и племянникам, а также сотрудникам исследовательской рабочей группы Энрико Коуэна Перуджа 2012 года.
Эта книга никогда бы не появилась, если бы не дальновидность и поддержка моего литературного агента Питера Таллака и всей команды издательства «Пингвин/Викинг». Особенно я должен поблагодарить моего редактора Уилла Хамонда, который больше чем кто-либо вселял в меня уверенность в моих силах.
И наконец, заказ на эту книгу был получен накануне появления на свет моего сына Ласло. Он и его мать Руби – та творческая сила, которой наполнена каждая страница этой книги.
Что еще почитать
Грэй, Теодор. Элементы. Путеводитель по периодической таблице. М.: Corpus, 2013.
Келли, Джек. Порох. От алхимии до артиллерии: история вещества, которое изменило мир. М.: КоЛибри, 2005.
Кин, Сэм. Исчезающая ложка. М.: Эксмо, 2015.
Курлански, Марк. Всеобщая история соли. М.: КоЛибри, 2007.
Леви, Примо. Периодическая система. М., Текст, 2009.
Леенсон, Илья. Превращения вещества. Химия. М.: ОлмаМедиаГрупп, 2013.
Лекутер Пенни, Берресон, Джей. Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир. М.: Corpus, 2014.
Одноралов, Н.В. Скульптура и скульптурные материалы, М.: «Изобразительное искусство», 1982.
Петрянов-Соколов, И. Популярная библиотека химических элементов. М.: Наука, 1982.
Степан Тимошенко. История науки о сопротивлении материалов. С краткими сведениями из истории теории упругости и теории сооружений. М.: Либроком, 2009.
Philip Ball, Bright Earth: The Invention of Colour, Vintage (2008).
Rodney Cotterill, The Material World, CUP (2008).
Michael Faraday, The Chemical History of a Candle, OUP Oxford (2011).
Stephen Fenichell, Plastic: The Making of a Synthetic Century, HarperCollins (1996).
J. E. Gordon, New Science of Strong Materials: Or Why You Don’t Fall Through the Floor, Penguin (1991).
–, Structures: Or Why Things Don’t Fall Down, Penguin (1978).
Philip Howes and Zoe Laughlin, Material Matters: New Materials in Design, Black Dog Publishing (2012).
Chris Lefteri, Materials for Inspirational Design, Rotovision (2006).
Gerry Martin and Alan Macfarlane, The Glass Bathyscape: How Glass Changed the World, Profile Books (2002).
Harold McGee, McGee on Food and Cooking: An Encyclopedia of Kitchen Science, History and Culture, Hodder & Stoughton (2004).
Matilda McQuaid, Extreme Textiles: Designing for High Performance, Princeton Architectural Press (2005).
Cyril Stanley Smith, A Search for Structure: Selected Essays on Science, Art and History, MIT Press (1981).
Arthur Street and William Alexander, Metals in the Service of Man, Penguin (1999).