На земной орбите требуются прочные, легкие материалы, способные выдержать излучение, холод и тепло[148]. Для этого особенно важны легкие металлы, такие как алюминий и титан. Кроме того, нам предстоит использовать множество так называемых керамических материалов – пора обратить внимание на них.
5Кальций и кремний в костях и бетоне
Я живу в кирпичном доме. В фундамент дома заливают бетон. Изоляция стен – из стекловолокна, а смотрю я в стеклянное окно. На стене над кухонным столом и на полу в ванной комнате у меня плитка. И раковина, и унитаз в ванной – керамические, из того же самого материала сделаны чашки и тарелки, стоящие у меня в кухонном шкафу. Зубы у меня во рту покрывает слой эмали, в то время как оставшаяся часть зубов, так же как и кости, выстроена из кристаллов, содержащих кальций, фосфор и кислород, – им также помогает кремний[149]. Когда эти химические элементы поделятся электронами согласно собственному вкусу, образуются твердые, но легко бьющиеся керамические материалы.
Хотя обычно мы не уделяем им слишком много внимания, керамические материалы определяют нашу жизнь в той же степени, что и металлы. Кроме того, из керамических материалов изготавливают важные компоненты и для технологий, связанных с космическими полетами, и для многих наиболее продвинутых и сложных механизмов, окружающих нас. Подобные компоненты изготавливают в чистых и современных лабораториях, их сбор контролируют буквально вплоть до атома. Некоторые из них можно использовать для производства электричества от небольшой разницы температур. Возможно, им удастся добыть достаточно энергии для работы маленьких компьютеров, которые в будущем окажутся в наших телах. Керамические материалы сыграют незаменимую роль в развитии технологий будущего.
Жесткие и хрупкие
Керамические материалы не только отличаются многообразием, но они и обладают рядом важных общих характеристик[150]. Они твердые и выдерживают большие нагрузки: не случайно самые крупные в мире объекты строятся из бетона, а зубы покрыты эмалью. В то же время они хрупкие – а значит, ломаются, а не гнутся, когда нагрузка слишком сильно увеличивается. Если вы укусите что-нибудь очень жесткое, возможно, отвалится кусочек эмали. Очень небольшое количество керамических материалов проводят электричество. Поэтому керамику, стекло и фарфор используют как изоляторы на опорах высоковольтных линий электропередач – благодаря этому напряжение не перескакивает с одного проводника на другой, или в опору, или в землю. Без подобного рода изоляторов мы не могли бы передавать электроэнергию так, как это происходит сейчас. Керамические материалы также довольно плохо проводят тепло. Именно поэтому я спокойно держу в руке фарфоровую чашку с дымящимся чаем – будь чашка металлической, я бы обожгла руки.
У керамических материалов есть ряд основополагающих отличий от металлов. Мы производим металлы, забирая химические элементы, которые прекрасно себя чувствуют в компании с другими, и вынуждая их принять дополнительные электроны. Когда атомы, объединяясь, образуют кусочек металла, они не чувствуют никакой ответственности за навязанные им электроны. Эти электроны – словно выросшие на улице дети – свободно перемещаются по материалу. Именно благодаря этому металлы проводят электричество (это ведь не что иное, как движущиеся сквозь материал электроны) и тепло, которое тоже передавать проще, когда крошечные компоненты материала движутся. Благодаря такой конструкции – атомы рядами стоят в океане движущихся электронов – атомам проще проскользнуть мимо друг друга, а материалу – согнуться или вытянуться.
Керамические материалы тоже состоят из крошечных кристаллов, крепко держащихся друг за друга, а атомы в них выстроены аккуратными рядами. Отличие от металлов в том, что у керамических материалов электроны распределены между атомами именно так, как им самим больше всего нравится, а за всеми электронами внимательно присматривают, почти не предоставляя свободы перемещений между атомами. Благодаря этому все атомы очень крепко держатся за своих соседей, а следовательно, почти невозможно сделать так, чтобы при сгибании материала атомы проскользнули мимо друг друга. Вот почему эти материалы выдерживают большие нагрузки, но трескаются, если нагрузка оказывается слишком сильной.
Лепка из глины
Простейшая форма керамики одновременно древнейшая. Искусство работать с глиной было с нами с самого начала истории и по-прежнему остается важной частью нашей культуры. В начальной школе больше всего на уроках труда мне нравилось делать керамические фигурки. Кстати, я не уверена, что мы называли их керамикой. Думаю, мы говорили проще – «лепить из глины». Каждому выдавали комок красно-коричневой, влажной, пахнущей землей глины, и с помощью забавных инструментов мы придавали ему форму зверушки или маленькой мисочки, а затем обжигали в печи, превращая в подарок для мамы и папы.
Слово «глина» имеет несколько значений[151]. В повседневной речи им обозначают тяжелую, плотную породу. Технически глину классифицируют как породу, и все ее частички мелкие, как пылинки. Кристаллы, из которых состоит глина, называются глинистыми минералами – они образуются из твердых пород, когда те разрушаются и вступают в контакт с водой на земной поверхности[152]. На уровне атомов глинистые минералы состоят из прочных, но невероятно тонких слоев кремния и кислорода. Между слоями, как правило, есть алюминий, калий или железо, однако глинистые минералы также обладают способностью всасывать между слоями и воду, и иные химические элементы.
Во влажной глине эти минералы крепко сцеплены и друг с другом, и с содержащейся между ними водой. Благодаря этому влажной глине можно придать любую сложную форму. Когда глиняные предметы обжигают в теплой печи, вода испаряется, и глинистые минералы приклеиваются друг к другу с такой прочностью, что готовое керамическое изделие приобретает прочность камня.
Около 10–14 тысяч лет назад производство керамических изделий переключилось с простых фигур к полезным в быту предметам, таким как кирпичи, плитки и кувшины[153]. Сама по себе обожженная глина недостаточно плотная, чтобы в течение долгого времени удерживать воду или масло. Чтобы керамическое изделие стало водонепроницаемым, гончару приходится плавить верхний слой. А может, первый глазурованный глиняный кувшин получился случайно, когда печь разогрелась слишком сильно? Позднее гончары научились глазуровать керамические изделия, покрывая поверхность обожженных предметов порошком, снижающим температуру плавления глинистых материалов, с которыми он вступает в контакт, а потому во время второго обжига поверхность глины плавится и становится глянцевой. В древности в подобных глиняных кувшинах хранили вино и масло. Сегодня в шкафу на моей кухне стоят керамические чашки и блюда с глазурованными поверхностями. Фарфоровые тарелки и плитка у меня в ванной тоже своего рода форма глазурованной керамики, и сделаны они из особого сорта глины, смешанной с порошком из таких минералов, как кварц и полевой шпат, во время процесса, который китайцы придумали еще в VII веке[154].
Хаос атомов в оконном стекле
Если стало доступно искусство изготавливать глазурованные керамические изделия, естественный шаг – расплавить керамический предмет целиком и получить чистое стекло. Однако проще сказать, чем сделать это. Для производства стекла нужны столь нестандартные условия, что с того момента, как люди начали глазуровать керамику, и до того, как они научились изготавливать чистое стекло, прошла не одна тысяча лет. Наиболее древним из найденных стеклянных предметов, созданных человеком, примерно четыре с половиной тысячи лет[155].
Стекло существует и в природе. Оно образуется при извержении вулкана, когда расплавленная порода вырывается на воздух и застывает, до того как атомы успеют принять форму кристаллов. Когда литосферные плиты трутся друг о друга, вызывая землетрясения, трение иногда дает столько тепла, что тонкий слой породы плавится, а затем, когда трение прекращается, быстро твердеет. В результате в породе мы видим тонкие «пленочки» стекловидного материала. Когда с поверхностью нашей планеты сталкиваются огромные метеориты, температура увеличивается настолько, что порода плавится[156]. Объединяет эти процессы то, что стекло образуется тогда, когда температура достаточно высока, чтобы расплавить все содержащиеся в породе минералы, а расплавленная масса охлаждается достаточно быстро – атомы не успевают вернуться к упорядоченной кристаллической структуре и располагаются случайным образом. Это и есть стекло: керамический материал, атомы которого расположены как попало.
Стекло в моих окнах сделано из чистого песка. Этот песок должен состоять только из таких минералов, как кварц (он содержит кремний и кислород) и полевой шпат (он также содержит алюминий и калий, натрий, кальций или барий). Смесь кварца и полевого шпата расплавится только тогда, когда температура достигнет примерно 2000 градусов, и построить печь, выдерживающую такую температуру, практически невозможно. Поэтому добавляют карбонат натрия – его добывают из соляных шахт, – чтобы снизить температуру плавления примерно до 1000 градусов. Кроме того, чтобы готовое стекло не растворилось в воде, добавляют раздробленный известняк. Когда смесь нагревают, и из карбоната натрия, и из известняка выделяется диоксид углерода – он улетучивается в атмосферу, а потому готовое стекло весит меньше, чем все, вместе взятые, исходные материалы, участвовавшие в его изготовлении