Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Наноструктуры все же слишком малы. Чтобы увидеть или хотя бы почувствовать их, приходится собирать их и встраивать в микроскопические структуры, крупнее в десять-сто раз и тоже невидимые, – но с этими уже можно взаимодействовать. Речь идет о грандиозном технологическом достижении XX века – кремниевых микросхемах. Эти мельчайшие скопления кристаллов кремния и электропроводников приводят в движение электронную вселенную. Их миллиарды внутри множества окружающих нас электронных машин. Это они воспроизводят для нас музыку, фотографируют нас на отдыхе, стирают нашу одежду. Они являются искусственным эквивалентом нейронов мозга и по размеру сопоставимы с ядрами клеток человеческого тела. Как ни странно, в них отсутствуют мобильные составляющие, и для управления потоком информации они используют лишь электрические и магнитные свойства материалов.
Микрочипам соразмерны живые клетки, кристаллы железа, волокна целлюлозы и фибробетона. На этом же уровне мы находим еще один замечательный искусственный объект – шоколадную микроструктуру. Шесть видов кристаллической решетки какао-масла, с разной температурой плавления, образуют смешанную текстуру шоколада. В той же группе – кристаллы сахара и крупицы какао-порошка, содержащие молекулы шоколадного вкуса и аромата. Управляя данной микроструктурой, можно варьировать вкус и консистенцию шоколада – в этом, как правило, и заключается мастерство шоколатье.
На микроуровне материаловеды создают структуры, способные манипулировать светом. Так называемые метаматериалы обладают переменным коэффициентом преломления, то есть могут преломлять свет как угодно. Уже появились экраны невидимости с отрицательным коэффициентом преломления. Их устанавливают вокруг объекта: с какой стороны ни посмотри, он выглядит прозрачным.
Макроуровень объединяет атомные, нано– и микроструктуры. Это предел того, что человек может увидеть невооруженным глазом. Хороший пример такой структуры – сенсорный экран мобильного телефона. На вид он идеально гладкий и однородный, но стоит капнуть водой, и вы, как под увеличительным стеклом, увидите, что в действительности он состоит из крошечных зеленых, красных и синих точек. Всеми этими малюсенькими жидкими кристаллами можно управлять по отдельности и создавать доступные глазу комбинации, представляющие все цвета видимого спектра, при этом их можно включать и выключать достаточно быстро, чтобы смотреть кино в хорошем качестве. Другой пример полезных изменений на макроуровне – фарфор. Стеклянные и кристаллические структуры в его составе образуют прочный, гладкий и оптически динамичный материал.
Миниатюрный уровень – это сочетание атомных, нано-, микро– и макроструктур, видимое невооруженным глазом. Это масштаб нитки, волоска, иголки, линий шрифта, которым набраны слова, которые вы сейчас читаете. Если вы посмотрите на древесный срез или проведете по нему ладонью, вы увидите и почувствуете все эти структуры на миниатюрном уровне. Именно такое строение придает древесине особые осязательные характеристики: твердая, но не слишком жесткая, легкая, теплая. Миниатюрной структурой обладают веревки, покрывала, ковры и, самое главное, одежда. Прочность, эластичность, запах и тактильные свойства этих материалов – результат сочетания всех структур. Хлопковая нить внешне очень похожа на шелковую или кевларовую, но именно скрытые от глаз особенности их атомных, нано-, микро-, макро– и миниатюрных структур определяют разницу между плотной тканью, способной защитить от удара ножа, и гладким и приятным на ощупь атласом. Как раз на макроуровне мы задействуем осязание.
И вот мы подходим к человеческому уровню – венцу всех предыдущих. Здесь мы встречаем предметы, которые можно повертеть в руках, подцепить вилкой и положить в рот или в которых можно поселиться. Это масштаб скульптуры и живописи, кулинарии и сантехники, ювелирного искусства и архитектуры. Материалы на этом уровне узнаваемы – пластиковые трубы, тюбики масляной краски, камни, буханки хлеба, металлические замки. Опять они выглядят монолитными скоплениями вещества, но мы уже знаем, что это обман зрения. Однако, поскольку глубинные слои материи открываются глазу только при сильном увеличении, лишь в XX веке удалось обнаружить многоуровневую архитектуру материалов. Вот почему одинаковые на вид металлы ведут себя очень по-разному, вот почему одни пластмассы мягкие и эластичные, а другие жесткие и вот почему из песка можно построить небоскреб. Это одно из главных открытий в материаловедении, потому что очень многое объясняет.
Мы умеем создавать новые микроскопические структуры и новые материалы на их основе, но XXI век требует от нас большего: соединить искусственные структуры всех уровней в макроскопическом, соразмерном человеку объекте. Вроде бы хороший пример такой интеграции – смартфоны, сочетающие макромасштабный сенсорный экран с наномасштабной электроникой, но ведь можно вообразить систему, насквозь пронизанную связями, словно нервными импульсами. Если мы создадим такую структуру, тогда, возможно, в один прекрасный день целые комнаты, дома, а то и мосты будут генерировать энергию, направлять ее в нужное место, находить изъяны и самостоятельно их устранять. Фантастика, скажете вы, но не забывайте, что все это уже проделывает живая материя.
Поскольку структуры высшего уровня заключают в себе все предыдущие, то чем крупнее объект, тем сложнее он устроен. Такие сложные материи, как мир субатомных частиц и квантовая механика, на самом деле куда проще, чем, к примеру, петуния. Биологам и медикам это хорошо известно: обе науки всегда доверяли опыту и наблюдениям (и в меньшей степени – теории) именно потому, что предмет их изучения – крупные организмы – слишком сложны и слабо поддаются теоретическому описанию. Но, как показывает наша карта масштабов, живая материя в некотором смысле ничем не отличается от неживой. Кардинальная разница между ними состоит в том, что разные уровни живой материи теснее взаимосвязаны: живая материя без устали себя упорядочивает. Для этого она тянет коммуникации между разными этажами организма. Удар «человеческих» масштабов по неживой материи сказывается на разных уровнях, рождает отклик многих систем – неживая материя может помяться, разбиться, затвердеть, срезонировать. Что касается живой материи, то, заметив опасность, она может принять ответные меры: отпрянуть или приказать организму пуститься наутек. Очевидно, что живое ведет себя по-разному: ветка дерева в большинстве случаев пассивна, словно это неживая материя, а кошачья лапа реагирует весьма живо. Одна из самых больших загадок: что делает материю живой? Неужели связь между структурными уровнями и яркая ответная реакция – это все, что отличает живое от неживого? В подобном предположении нет ничего унизительного для живых существ, зато оно возвышает в наших глазах неживую материю, которая гораздо сложнее, чем кажется.
Несмотря на технический прогресс, материальный состав планеты пока что не претерпел существенных изменений. Есть живая природа, жизнь, и есть неживая – камни, здания, инструменты и т. д. Впрочем, чем больше мы узнаем о материи, тем больше размываются границы. Мы вступаем в новую материальную эру, в эру бионических людей – скоро каждый второй обзаведется органами, костями и даже мозгами из синтетики.
Впрочем, не только тело, искусственное или натуральное, делает нас людьми. Мы ведь живем и в нематериальном, духовном мире – в мире наших мыслей, эмоций, ощущений. Однако тело не вполне отделено от души и, как известно, оказывает на нее сильное влияние. Нам небезразлично, сидим ли мы на мягком диване или на жесткой табуретке. Это потому, что мы извлекаем из материалов не только пользу. Судя по археологическим находкам, как только люди изобрели орудия труда, они тут же принялись мастерить украшения, растирать краски, разрисовывать пещеры и шить одежду из шкур. Все это делалось из эстетических и культурных соображений и двигало технологии вперед на протяжении всей истории. У материалов есть социальное измерение, и мы выбираем их неслучайно. Они что-то значат для нас, они воплощают наши идеалы, и они многое говорят о нас самих.
Материальный мир соткан из смыслов, которые отчасти совпадают с пользой. Металл очень прочный и крепкий, не зря из него делают автомобили, но еще он вызывает ассоциации с надежностью и стойкостью, и конструкторы сознательно это используют. На языке промышленного дизайна металл – символ промышленной революции, с которой началась эра машин и массового транспорта. Не будь у нас металлургии и металлообработки, мы сами были бы другими. Нас восхищает этот материал, и всякий раз, когда мы садимся в поезд или автомобиль, кладем белье в стиральную машину или бреемся, мы доверяем нашей крепкой, надежной, сильной рабочей лошадке – металлу. Материальная культура – вещь непростая, потому что у нее долгая история. Некоторые не любят металл по той же причине, по которой другие им восхищаются, – например, из-за производственных ассоциаций. У материалов много смыслов, так что выбор эпитетов для заглавий в этой книге – лишь один из возможных. Это мое личное предпочтение, и в каждой главе я высказываю свой, личный взгляд, потому что отношения с материальным миром у нас у всех свои, личные.
