Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
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.
Андрей отрезал кусок липкой ленты, прижал к графиту, отдернул – на пленке остался тончайший блестящий металлический отпечаток. Он взял еще один отрезок ленты, прижал его к блестящему отпечатку на первом отрезке и отдернул. Теперь отпечаток разделился надвое. Повторив процедуру пять-шесть раз, Гейм получал все более тонкие слои графита. Наконец он объявил, что получил слой графита толщиной всего в один атом. Я посмотрел на отрезок скотча у него в руках. На нем было несколько темных смазанных пятнышек. Боясь упустить что-то важное, я присмотрелся внимательнее. «Разумеется, – улыбнулся Андрей, – его нельзя увидеть. Он слишком мал и поэтому невидим».
Я усиленно закивал, когда Гейм предложил пройти к микроскопу в соседнюю комнату, где можно было бы увидеть эти одноатомные слои графита.
Андрей и его коллега получили Нобелевскую премию не за то, что создали одинарный слой графита, а за то, что продемонстрировали исключительные, даже по меркам нанотехнологий, свойства этих слоев, которые заслужили собственное наименование – графен.
Начнем с того, что графен – это самый тонкий, прочный и жесткий материал в мире. Он проводит тепло быстрее, чем любой другой известный материал, и он проводит больше электроэнергии, быстрее и с меньшим сопротивлением, чем любой другой материал.
Молекулярная структура графена
Графен допускает туннельный эффект Клейна – необычное явление квантовой природы, при котором электроны внутри материала проходят сквозь барьеры, словно их вовсе нет. В общем, графен потенциально может стать электронной электростанцией и даже заменить кремниевые микросхемы – «сердце» компьютеров и устройств связи. Его необычайная тонкость, прозрачность, прочность и электронные характеристики могут пригодиться в сенсорных интерфейсах будущего, и не только экранах, к которым мы уже привыкли. Возможно, предметы целиком и даже здания будут чувствительны к прикосновениям. Но, вероятно, самый интригующий повод для похвалы графену – его двумерность. Это вовсе не означает, что у него нет толщины. Просто его нельзя сделать ни тоньше, ни толще, не изменив при этом его свойств, – это будет уже другой материал. Что и продемонстрировала команда Андрея: добавьте к графену еще один слой углерода, и он снова станет графитом; снимите один слой, и графен вовсе перестанет существовать.
Учитель рисования Баррингтон не знал этого, когда называл графит более высокой формой углерода, чем алмаз. В техническом смысле, однако, он был кругом прав. Также он был прав, говоря о важности атомной природы графита. Графен – это кирпичик толщиной в один атом, из которого построен графит. Это то, что вы оставляете на бумаге, когда рисуете карандашом. Графит можно использовать лишь как средство художественной выразительности, но его значение гораздо шире – этот материал и его скрученный вариант в виде нанотрубок станут важной частью нашего будущего мира на всех масштабных уровнях: от самого мелкого до самого крупного, от электроники до автомобилей, самолетов, ракет и даже (кто знает?) космических лифтов.
Померк ли алмаз перед графитом, породившим из себя графен? Победил ли графит, неожиданно для всех, в вековом поединке? Говорить окончательно еще рано, но для меня это факт сомнительный. Похоже, и вправду графен даст начало целой эпохе в строительстве. Ученые с инженерами уже сейчас влюблены в новый материал. Но это еще не гарантирует всеобщего признания. Возможно, алмазы уже не самые твердые и нерушимые в мире, и, как нам хорошо известно, они не вечны, однако для большинства людей они символизируют именно эти качества. Алмаз по-прежнему соединяет любящие сердца. Связь между бриллиантом и настоящей любовью, вероятно, возникла из-за рекламной кампании, но теперь она для нас совершенно реальна.
От графена, возможно, больше пользы, чем от алмаза, но он не сверкает, по сути он вообще невидим, неимоверно тонок и лишен объема. Кому захочется сравнивать свою любовь с таким материалом? Я думаю, пока рекламщики не освоят графен, кубические кристаллы углерода останутся лучшими друзьями девушек.
9. Утонченность
В январе 1962 года семья Медовников готовилась к свадьбе моего будущего отца Питера Медовника с его невестой Кэтлин. План церемонии был составлен, приглашения друзьям разосланы, советы насчет религиозной стороны брака между евреем и католичкой поступали нескончаемым потоком, нервы были напряжены до предела, свободная любовь то дозволялась, то не дозволялась, но с подарками для молодоженов давно уже было все решено. Одним из этих подарков был чайный сервиз из костяного фарфора.
Сервиз в большом деревянном ящике доставили из универмага «Харродз» в дом моих родителей. Как только чашки и блюдца появились на свет из опилочной перины, их тут же вымыли и поставили сушиться на полочку над раковиной. Оттуда они впервые взглянули на свой новый дом: пустую, зато просторную кухню в пригороде Лондона. Одна из чашек соскользнула с полки прямо на пол, однако вместо того чтобы разбиться, она, к вящей радости счастливой парочки, отскочила от линолеума. Те удивленно переглянулись, решив, что это хороший знак. Так оно и оказалось: чашки служили им всю их совместную жизнь. На фотографии, сделанной пятьдесят лет спустя, вы видите единственный выживший из того сервиза предмет.
Поначалу фарфоровым чашкам приходилось делить место в шкафу с деревянными чашками, которые привезла из Ирландии моя будущая мама. Должно быть, это приводило их в ужас. Разумеется, дерево, красивый природный материал, обладает особой грубоватой привлекательностью. Его простота и органичность притягательны для страстных поклонников сельской жизни. Однако же отстоять преимущества дерева в качестве сосуда для питья едва ли возможно. У такой посуды сильный деревянный привкус, и она быстро вбирает ароматические вещества, искажая вкус очередного напитка.
Металлические чашки в то время тоже болтались на кухне. По всей видимости, раньше они были частью походного набора и оказались на кухне только потому, что у молодоженов было нечем их заменить. Но для чаепития металл лишь немногим лучше дерева. Каждый день мы кладем в рот металлические столовые приборы, предпочитая металл другим материалам из-за его твердости и прочности, благодаря которой ложки и вилки тонкие и гладкие и при этом не гнутся и не ломаются. Что самое главное, по их блеску и гладкости можно безошибочно определить, насколько хорошо их помыли после того, как они побывали у кого-то во рту. Но металл слишком хорошо проводит тепло, чтобы использовать его для горячих напитков. Еще он издает громкий лязг – звук, который не очень-то гармонирует с изысканным вкусом и ароматом чая.
