Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Первые летательные аппараты делали из дерева, легкого и крепкого. Одним из самых быстрых самолетов Второй мировой войны был почти полностью деревянный истребитель-бомбардировщик «Москито». Однако деревянная конструкция, как правило, страдает недостатками, так что построить из дерева корпус летательного аппарата весьма сложно. А поскольку авиастроители не думали отказываться от своих честолюбивых планов, конструкторы переключились на легкий металл алюминий. Последний, однако, нельзя назвать сверхлегким, и в глубине души инженеры надеялись обрести еще более прочный и легкий материал. Казалось, в природе ничего подобного не существует, поэтому в 1963 году инженеры из британского Королевского авиационного управления в Фарнборо решили его изобрести.
Углеродное волокно, как назвали они свое детище, было получено из графита, сплетенного в тонкие нити, при этом ученые максимально использовали огромную прочность и жесткость шестиугольных слоев. Как всегда в случае с чистым графитом, структурная зависимость от сил Ван-дер-Ваальса делала его уязвимым. Впрочем, покрытие волокон эпоксидным клеем решило проблему. Так родился углепластик, новый композиционный материал на основе углеродного волокна.
Хотя в авиастроении он в конце концов вытеснил алюминий (новейший «Боинг-Дримлайнер» на 70 % состоит из углепластика), понадобилось немало времени, чтобы доказать полную пригодность этого материала для авиационной промышленности. Впрочем, производителям спортивного оборудования углепластик сразу понравился. Он настолько изменил эксплуатационные качества спортивных ракеток, что поклонники традиционных материалов вроде дерева и алюминия быстро оказались в проигрыше. Живо помню тот день, когда мой друг Джеймс появился на теннисном корте, размахивая углепластиковой ракеткой с характерным черным плетением из углеродного волокна. Перед игрой он дал мне пару раз испробовать ее невероятную легкость и в то же время силу, а потом забрал ее и одержал надо мной сокрушительную победу. Есть что-то обескураживающее в том, что противник играет ракеткой вдвое легче и вдвое мощнее твоей. «Ну, углепластик, держись!» – воскликнул я перед началом игры, но это не помогло. С новым материалом серьезные перемены пришли в те виды спорта, где требуются легкость и высокая мощность, – то есть практически во все. Круто изменился в 1990-е годы велосипедный спорт: появились велосипеды с более обтекаемыми контурами, в которых применялись конструкции из углеродного волокна. Пределом совершенства таких велосипедов стали, вероятно, те, на которых Крис Бордман и Грэм Обри пытались побить часовой рекорд в своем классическом поединке. В 1990 годы оба британских велосипедиста установили мировые рекорды, а потом обгоняли друг друга на все более навороченных велосипедах из углеволокна. В 1996 году Крис Бордман проехал за час 56,375 км – и навлек на себя гнев Международного союза велосипедистов, который немедленно запретил к использованию новые конструкции из углеволокна, опасаясь, что они изменят традиционный спорт раз и навсегда.
«Формула-1», напротив, совсем иначе отнеслась к новинке и постоянно вносила изменения в правила, способствуя дальнейшему усовершенствованию материала. Действительно, передовые технологии – неотъемлемая составляющая этого спорта, и успех достигается как мастерством гонщика, так и новаторскими решениями конструкторов. Даже в беге не обошлось без углеволокна. Все больше спортсменов-инвалидов пользуются транстибиальными протезами. В 2008 году Международная ассоциация легкоатлетических федераций пыталась помешать этим спортсменам выступать против здоровых на том основании, что углепластиковые протезы нижних конечностей дают им преимущество и это якобы несправедливо. Однако Спортивный арбитражный суд отменил запрет, и в 2011 году безногий южноафриканец Оскар Писториус участвовал вместе с обычными спортсменами в эстафете 4 400 м мирового чемпионата в ЮАР, и его команда завоевала серебро. Углеродное волокно может сыграть весомую роль в легкой атлетике, если только легкоатлетические федерации не выступят против, по примеру велосипедных.
Успех композитов на основе углеволокна окрылил инженеров, которые вынашивают теперь идею грандиознейшего из проектов. Достаточно ли новый материал прочен, чтобы осуществить давнюю мечту человечества – построить лифт в космос? Космический лифт, или, как его еще называют, небесная праща, лестница в небо, космический фуникулер, – это сооружение, которое должно связать точку на земном экваторе с расположенным прямо над ней спутником на геостационарной орбите. С таким лифтом космические путешествия в кратчайший срок стали бы доступны самым широким массам. Людей и грузы можно было бы с легкостью отправлять в космос при минимальных энергетических затратах. Идею лифта разработал в 1960 году советский инженер Юрий Арцутанов. Чтобы ее осуществить, понадобится трос длиной 36 000 км, который соединит спутник с кораблем, находящимся в океане в зоне экватора. Все исследования показывают, что идея технически осуществима, при условии, что трос выполнен из материала с чрезвычайно высоким отношением прочности к весу. Почему речь идет именно о весе? Дело в том, что трос должен в первую очередь выдерживать собственный вес, чтобы не лопнуть. При длине в 36 000 км понадобится материал настолько прочный, что сделанная из него нить сможет удержать слона. На практике, однако, даже самая прочная нить из углеволокна способна удержать лишь кота. Впрочем, это из-за того, что в ней полно дефектов. Теоретические расчеты убедительно доказывают, что прочность углеволокна, совершенно свободного от дефектов, была бы гораздо выше и даже превосходила бы прочность алмаза. Ученые начали изучать возможность создания такого материала.
Ключ к решению был найден с открытием четвертой углеродной структуры, которая, в свою очередь, обнаружилась в самом, казалось бы, неподходящем месте – в пламени свечи. В 1985 году профессор Харольд Крото и его научный коллектив пришли к выводу, что внутри пламени свечи атомы углерода волшебным образом самоорганизуются в группы ровно по шестьдесят штук, образуя макромолекулы углерода. Эти молекулы выглядели словно гигантские футбольные мячи и были названы бакиболами (или фуллеренами) в честь архитектора Бакминстера Фуллера, изобретателя геодезического купола тоже гексагональной структуры. За это открытие научный коллектив профессора Крото получил в 1996 году Нобелевскую премию в области химии, а также привлек всеобщее внимание к тому факту, что микроскопический мир может содержать большое разнообразие неизвестных нам до поры до времени углеродных структур.
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.
