Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Я запомнил, что материал был прозрачным, но странно переливался, подобно голограмме на драгоценном камне: материал-призрак. Ничего похожего я раньше не видел. Я даже рискнул предположить, что его нашли в космическом корабле инопланетян. Спустя некоторое время я уже сомневался, а был ли он вообще. Потом в припадке паранойи подумал, что кто-то залез в мой мозг и внушил, что это был всего лишь плод воображения. Каждый раз по дороге в кафе и обратно я твердил себе: «Я действительно видел это». Почему-то я испытывал собственнические чувства по отношению к тому материалу. Беспокоился даже, не испортят ли его в лаборатории. Это был переломный момент, после которого я осознал, что мне придется уйти.
Второй раз я увидел его лишь через несколько лет. Я вернулся в Великобританию и возглавил группу исследователей, занимающихся материаловедением в Королевском колледже Лондона. Однажды, когда я сидел дома и сочинял поздравительную открытку для своего брата Дэна, по телевизору шел анонс новости об успешной миссии НАСА, в ходе которой 2 января 2004 года удалось собрать образцы космической пыли с кометы 81Р/Вильда. И тут в новостях показали МОЙ МАТЕРИАЛ! Не мой, разумеется, в прямом смысле этого слова, но тот самый, которым я так отчаянно желал завладеть. «Так он все-таки инопланетный!» – торжественно сообщил я своей пустой квартире и кинулся к компьютеру, чтобы узнать больше. Я решил, что ученые добывают этот материал в космосе. И ошибся.
Он оказался веществом под названием аэрогель. Я сделал неправильный вывод: аэрогель не добывали в космосе, а использовали для сбора космической пыли. Впрочем, я не оставил своих размышлений и продолжал копать информацию. В итоге я выяснил, что у аэрогеля земное, хотя и довольно темное происхождение. В тридцатые годы прошлого века его изобрел некто Сэмюел Кистлер, американский химик. Причем действительным предметом любопытства ученого было желе. То есть как это – желе?
Кистлер задался вопросом, что же такое желе, которое нельзя назвать ни жидким, ни твердым. В конечном счете он решил, что это жидкость, заключенная в твердой тюрьме с тончайшими, практически невидимыми сетками вместо решеток. В съедобном желе ячейки сетки состоят из длинных молекул желатина, который получают из белка коллагена, образующего прочнейшую соединительную ткань – сухожилия, хрящи и кожу. В воде молекулы желатина разбухают и соединяются в преграду, которая не дает жидкости вытекать. В общем, желе похоже на пузырь с водой, только воду удерживает не внешняя оболочка, а внутренняя структура.
Внутри каждой ячейки жидкость удерживается поверхностным натяжением – той самой силой, которая делает воду влажной на ощупь, образует капли и позволяет им липнуть к предметам. Силы поверхностного натяжения внутри ячеек достаточно велики, чтобы не дать воде вытечь из желе, но слишком слабы, чтобы совершенно ее обездвижить, – вот почему желе дрожит и вот почему оно так странно ведет себя во рту: желе почти на 100 % состоит из воды, и, как только оно нагревается до 35 °C, внутренние желатиновые сетки тают, высвобождая воду. Но простое объяснение – вода, пойманная в крепкие сети, – не устроило Сэмюела Кистлера. Он хотел знать, насколько целостна и самодостаточна желатиновая структура. Иными словами, если бы нашелся способ удалить всю воду, сможет ли этот внутренний каркас существовать сам по себе? Чтобы ответить на этот вопрос, Кистлер провел серию экспериментов, результаты которых опубликовал в 1931 году в статье «Сплошные пористые аэрогели и желе» в журнале Nature. Вот что он пишет в преамбуле:
«Непрерывность жидкости, пропитывающей желе, доказывают процессы диффузии, синерезиса и ультрафильтрации. Тот факт, что такая жидкость может быть заменена другой, причем совершенно иного рода, ясно свидетельствует о том, что гелевая структура способна существовать независимо от жидкости, в которую погружена».
Кистлер хочет сказать, что, согласно результатам экспериментов, жидкость в желе представляет собой единое целое, а не разделена на части, и может быть заменена другой жидкостью. По его мнению, это доказывает, что твердый внутренний каркас желе действительно может существовать сам по себе, независимо от жидкости. Он также использует более общий термин «гель» вместо «желе», относя свои выводы к целому ряду желеобразных материалов, занимающих место между безусловно твердыми и безусловно жидкими веществами: от геля для волос и крепкого куриного бульона до цемента, в котором внутренний каркас-сетку составляют фибриллы силиката кальция.
Кистлер отмечает, что еще никому не удавалось отделить жидкость в желе от внутреннего каркаса:
«Попытки удалить жидкость путем выпаривания приводили к столь сильной усадке, что влияние на структуру оказывалось слишком глубоким».
Иными словами, когда воду пытались выпарить из желе, то замечали, что внутренний каркас просто разваливается. Но, торжественно объявляет Кистлер далее, он и его сотрудники нашли верный способ:
«Мистер Чарльз Ленд и я при любезно оказанной нам профессором Дж. У. Макбейном помощи предприняли попытку проверить гипотезу о том, что жидкость в желе можно заместить газом с незначительным или полным отсутствием усадки. Наши усилия увенчались полным успехом».
Хитрость состояла в том, чтобы заменить жидкость газом, пока она еще остается внутри желе, и таким образом использовать давление газа для поддержания каркаса. Впрочем, поначалу они применяли не газ, а жидкий растворитель (спирт), который легче было контролировать. Существовал риск испарения растворителя, однако ученые нашли способ его избежать:
«Простое выпаривание неизбежно приведет к усадке. Тем не менее, если желе поместить в закрытый автоклав с избыточным количеством жидкости и поднять температуру выше критической, а давление поддерживать на уровне предельного давления парообразования либо выше, то кипения жидкости не происходит, а следовательно, не происходит и сжатия геля из-за действия капиллярных сил на его поверхности».
Автоклав – это просто резервуар высокого давления, который подлежит нагреву. Из-за повышения давления в автоклаве жидкость внутри желе не закипает даже при температуре выше точки кипения. Капиллярные силы, о которых говорит Кистлер, обусловлены поверхностным натяжением жидкости. Кистлер предполагает, что по мере постепенного превращения жидкости в пар те же силы, которые удерживают вместе компоненты желе, начинают его разрывать. Но когда температура становится выше так называемой критической температуры, то граница между газом и жидкостью исчезает – и то и другое приходит в состояние с одинаковой плотностью и строением, то есть жидкость превращается в газ, минуя разрушительную стадию кипения. Кистлер пишет:
«Когда температура станет выше критической, жидкость напрямую, без закипания, превратится в газ. Желе так и «не узна́ет», что жидкость внутри его сеток стала газом».
Это же гениально: под давлением в автоклаве вновь образованный газ не может покинуть желе, и внутренний каркас остается невредимым:
«Остается лишь выпустить газ, и мы получим сплошной аэрогель с неизмененным объемом».
Только теперь Кистлер позволяет газу медленно исчезнуть, не причинив вреда каркасу и не нарушив объем желе. Таким образом, он доказал свою гипотезу.
Внутренний каркас желе
Должно быть, это был миг глубочайшего удовлетворения. Но Кистлер на этом не остановился. Полученные каркасы были невероятно легкими и хрупкими и состояли почти сплошь из воздуха. Фактически они были пеной. Кистлер придумал желе с внутренним каркасом из диоксида кремния – главного компонента стекла. С помощью вышеописанного процесса он получил кварцевый аэрогель, самый легкий твердый материал в мире. Именно этот материал я мельком увидел в научной лаборатории в пустыне много лет назад.
Кварцевый аэрогель, самый легкий твердый материал в мире, на 99,8 % состоящий из воздуха
Не довольствуясь этим достижением, Кистлер создал еще ряд аэрогелей, которые перечислил в своей статье:
«Пока что нам удалось получить аэрогели на основе кварца, алюминия, тартрата никеля, оксида олова, оксида вольфрама, желатина, агара, нитроцеллюлозы, целлюлозы и яичного белка, и мы не видим причины, по которой этот список нельзя продолжать бесконечно».
Заметьте, несмотря на успех с аэрогелем из кварца, Кистлер не устоял перед соблазном использовать яичный белок. Пока весь мир взбивал омлеты и бисквитное тесто, он занялся кулинарией иного рода: готовил в автоклаве яичный аэрогель – легчайшую меренгу в мире.
Кварцевый аэрогель выглядит чрезвычайно странно. На темном фоне (см. фото) он кажется голубоватым, но на светлом фоне его почти не видно. Он даже более невидим, чем обычное стекло, хотя стекло прозрачнее. Проходя сквозь стекло, луч света немного смещается за счет преломления света в стекле (степень смещения луча света определяется коэффициентом преломления стекла). В случае с аэрогелем, поскольку в нем просто меньше вещества, свет практически не преломляется. По этой же причине на его поверхности нет и намека на отражение, причем из-за крайне низкой плотности края аэрогеля размыты и сам он выглядит каким-то не совсем твердым, что, конечно же, неверно. По структуре внутренний каркас геля напоминает мыльную пену, с одним важным отличием: в аэрогеле пустоты внутри «пузырьков» взаимосвязаны. В кварцевом аэрогеле так много пустот, что обычно он на 99,8 % состоит из воздуха, его плотность всего в три раза превышает плотность воздуха и он почти невесом.
