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

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.

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.