Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
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.
В то же время на темном фоне кварцевый аэрогель имеет отчетливый голубоватый оттенок, хотя должен быть совершенно бесцветным, коль скоро сделан из прозрачного стекла. Многие годы ученые искали причину этого явления, и она оказалась не менее удивительной, чем сам материал.
Когда солнечный свет попадает в земную атмосферу, его частицы (кванты) сталкиваются с молекулами различных веществ (главным образом азота и кислорода) и отскакивают от них, подобно шарикам для пинг-понга. Это называется рассеянием, и когда вы смотрите на небо в ясный день, вы видите свет, частицы которого, прежде чем достичь ваших глаз, многократно изменили свой путь, отскакивая от молекул в атмосфере. Если бы весь свет рассеивался одинаково, небо казалось бы белым. Но свет с меньшей длиной волны (голубой) рассеивается сильнее, чем свет с большей (красный и желтый), поэтому у неба голубой цвет.
Такое рассеяние называется рэлеевским. Оно весьма слабое, и чтобы его увидеть, требуется огромное количество молекул газа. В небе их достаточно, а в обычной комнате – нет. Иными словами, отдельные маленькие фрагменты неба не выглядят голубыми, но вся атмосфера имеет именно такой цвет. Однако если небольшая порция воздуха замкнута внутри прозрачного материала с миллиардами крошечных внутренних граней, рэлеевского рассеяния хватит, чтобы изменить цвет любого луча, падающего снаружи. У кварцевого аэрогеля именно такая структура – вот почему он голубой. Аэрогель у вас на ладони – маленький кусочек неба.
Пористые аэрогели обладают рядом интересных свойств, самое замечательное из которых – термоизоляция, то есть способность защищать от высоких температур.
Кварцевый аэрогель защищает цветок от пламени бунзеновской горелки
Аэрогель – надежный термоизолятор: если подставить под него бунзеновскую горелку, цветок, лежащий сверху, останется свежим и благоуханным.
Двойное остекление хорошо защищает от холодов, потому что пустое пространство между рамами мешает теплопередаче. Представьте себе, что атомы стекла расположены подобно слушателям на рок-концерте – плотной пританцовывающей толпой. Чем громче музыка, тем энергичней танец, тем чаще люди сталкиваются друг с другом. То же происходит и со стеклом: по мере нагревания материала атомы двигаются все активней. Фактически температура материала – это степень энергичности, с которой движутся атомы. Однако пустое пространство между оконными рамами затрудняет передачу энергии от атомов одного стекла к атомам другого. Разумеется, процесс работает в обе стороны: двойные рамы сохраняют тепло внутри зданий на Крайнем Севере и, наоборот, не пускают тепло внутрь зданий в Дубае.
Двойное остекление весьма эффективно, но все же допускает утечку тепла. Всякому, кто живет в холодном или жарком климате, об этом красноречиво говорят счета за электричество. Можно ли с этим что-то сделать? Ну да, бывает еще тройное и даже четверное остекление, с дополнительным барьером из одного-двух стекол. Но у стекла высокая плотность, поэтому с каждой новой рамой окна становятся более тяжелыми, громоздкими и менее прозрачными. Другое дело – аэрогель. Его пористая структура эквивалентна миллиардам стекол и воздушных прослоек. И потому он превосходно изолирует тепло. Обнаружив это и другие замечательные свойства аэрогеля, Кистлер упомянул о них в последнем предложении своей статьи:
«Кроме того, что данные наблюдения представляют научную ценность, необычайно интересны также физические свойства новых материалов».
В самом деле, необычайно интересны. Кистлер открыл лучший в мире термоизолятор.
Научная общественность с восторгом встретила новое изобретение, но очень скоро об аэрогелях все забыли. В тридцатых годах прошлого века были дела поважнее, к тому же никто не знал наперед, что будет востребовано, а что – отброшено за ненадобностью спустя годы. В том же 1931 году, когда Кистлер объявил об изобретении аэрогелей, немецкий физик Эрнст Руска создал первый в мире электронный микроскоп. А журнал Nature опубликовал в одном номере с результатами Кистлера статью Уильяма Брэгга, материаловеда и лауреата Нобелевской премии, о находках в области дифракции электронов внутри кристаллов. Руска и Брэгг положили начало новому пониманию внутренней структуры материалов, придумав инструменты, с помощью которых можно было видеть и визуализировать ее. Появился новый тип микроскопа, принципиально иной, нежели изобретенный в XVII веке оптический. Глазам ученых открылся невиданный прежде сверхмалый мир. Вскоре материаловеды уже с интересом вглядывались в металлы, пластики, керамику и живые клетки, уясняя внутреннюю работу атомов и молекул. Это было увлекательное время. Мир материалов переживал бурное развитие, вскоре изобрели нейлон, алюминиевые сплавы, кремниевые микросхемы, стекловолокно и другие революционные новинки. Аэрогели затерялись на этом фоне, и о них никто не вспоминал.
Кроме одного человека – самого Кистлера. Он рассудил, что необычайная красота и исключительные термоизолирующие свойства каркасов желе непременно обеспечат им будущее. Хотя кварцевый аэрогель хрупкий и непрочный, как стекло, для своего мизерного веса он все же достаточно крепок, чтобы использовать его в промышленности. Итак, Кистлер запатентовал изобретение и продал лицензию на изготовление аэрогелей химической компании «Монсанто Корпорейшн». К 1948 году она уже выпускала продукт под названием «Сантогель» – кварцевый аэрогель в форме порошка.
Казалось, у «Сантогеля» блестящие перспективы – он мог бы стать лучшим в мире термоизолирующим материалом. Но, увы, он опередил свое время. Энергия дешевела и дешевела, а проблему глобального потепления тогда не принимали всерьез. Дорогой термоизолятор приносил компании одни убытки. Потерпев неудачу, в «Монсанто» нашли другое, весьма причудливое, применение новому продукту – в составе чернил и красок. Аэрогель рассеивал свет, оптически выравнивая окрашенную поверхность и придавая ей матовость. В конце концов его и вовсе разжаловали в загустители овечьих мазей от мушиных личинок и гели для напалмовых смесей. В 1960–70-х годах дешевые заменители отняли у аэрогеля и эту узкую нишу, в итоге «Монсанто» прекратила его производство. Кистлер умер в 1975 году, не дожив до того дня, когда его чудесный материал нашел свое место под солнцем.
Новое явление аэрогелей состоялось не благодаря коммерческому использованию, а потому что их уникальные свойства привлекли внимание специалистов по физике элементарных частиц, изучавших эффект Черенкова в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Черенковское излучение испускает субатомная частица при прохождении сквозь материал со скоростью, превышающей скорость света. Его обнаружение и анализ дает ключ к пониманию природы такой частицы и, следовательно, служит весьма экзотическим способом идентификации многочисленных невидимых частиц, с которыми имеют дело ученые. Аэрогель идеально подходит на роль материала, атакуемого элементарной частицей, поскольку фактически является твердой вариацией газа. В этом качестве он используется и по сей день, помогая физикам разгадывать тайны субатомного мира. Как только аэрогели очутились в научных лабораториях со сложным оборудованием, туманной миссией и большими бюджетами, их престиж опять вырос.
