Подробности этих ужаснейших поступков редко долетали до ушей европейцев, катавшихся на велосипедах с шинами из вулканизованной резины. Сначала было неизвестно, почему резина приобретает столь удивительные свойства при нагревании с серой. Сегодня химики знают, что атомы серы прикрепляются к теплым молекулам углерода, выстраивая крошечные серные мостики между углеродными цепями вдоль и поперек. Таким образом, каучук из кучи вареных спагетти, в которой каждая ниточка свободно перемещается относительно других, становится жесткой сетью нитей, связанных друг с другом во многих точках – примерно так же из клубка шерсти получается аккуратно вывязанный свитер. Тот же принцип работает и в нашем теле. Наши жесткие, прочные ногти состоят из кератина, а он, в свою очередь, – из длинных углеродных цепей, вдоль и поперек скрепленных между собой атомами серы[183].
Чем больше серы, тем больше точек связи – и тем тверже и жестче материал. Во время процесса вулканизации для изготовления велосипедных и автомобильных шин берут 3–4 % серы. А если содержание серы увеличится в пропорции, где серы – одна часть, а резины – две, итоговый продукт будет очень жестким. Этот материал получил название «эбонит», поскольку похож на эбеновое дерево (англ. ebony), – его применяют для массового производства жестких предметов, таких как перьевые ручки и вставные зубы.
От бревен – к текстилю
Деревья – природные небоскребы – приобретают жесткость и прочность благодаря двум крупным молекулам: целлюлозе и лигнину. Целлюлозу производит внутренний механизм дерева: множество круглых по форме молекул сахара (глюкозы) образуют друг с другом прочные связи. Если молекулы состоят из более мелких повторяющихся единиц, таких как глюкоза в целлюлозе, их называют полимерами[184]. Природных полимеров огромное количество. У людей их очень много: и ДНК, содержащая все наши гены, и белки, благодаря которым наше тело имеет структуру и функционирует, и кератин в ногтях – всё это полимеры.
Одна молекула целлюлозы может содержать несколько тысяч единиц глюкозы, выстроенных в длинную прямую цепь. Деревьям длинные молекулы целлюлозы помогают сопротивляться нагрузкам, поэтому на ветру они не ломаются. Целлюлоза смешивается с разветвленным полимером лигнином, удерживающим молекулы целлюлозы на месте – примерно так же армирующее железо удерживает на месте бетон в созданных руками человека небоскребах. Свои свойства древесина приобретает благодаря сочетанию лигнина и целлюлозы, а также структуре растительных клеток дерева. Дерево подходит для строительства домов и мостов, а также изготовления мебели, инструментов и бумаги.
По аналогии с натуральным каучуком молекула целлюлозы по идее должна хорошо подходить для изготовления других материалов. Однако обработке химическими методами целлюлоза сопротивляется. Она не растворяется в воде, а при нагревании ломается на кусочки и превращается в дым. И только когда кто-то – вероятно, случайно – выяснил, что целлюлоза вступает в реакцию с азотной и серной кислотой, образуя нитроцеллюлозу (воспламеняющееся вещество), оказалось, что целлюлозу можно использовать для других целей, чем ее изначальные волокна. Из нитроцеллюлозы получается твердый материал – его заливают в формы и изготавливают пуговицы, расчески, рукоятки ножей. Раньше их производили из более дорогостоящих альтернативных материалов – металла, рогов, слоновой кости и черепахового панциря. Для целлюлозы одной из первых важнейших сфер стали бильярдные шары – до той поры их делали из слоновой кости. Благодаря этому материалу удалось спасти жизнь многим слонам.
Еще одним материалом на основе целлюлозы стал целлулоид, или нитропленка, – ею пользовались на заре кинопроизводства. У нее есть один недостаток: она очень легко воспламеняется, а также содержит столько кислорода, что горит и без него, даже под водой. В результате в кинотеатрах вспыхивали страшные пожары. Киномехаников обучали правилам пожарной безопасности, а в лондонском метро было запрещено перевозить кинопленку, пока примерно в 1950 году повсеместно не стали пользоваться более безопасной разновидностью. Сегодня целлулоид по-прежнему используется в некоторых красках и лаках, лаке для ногтей, взрывчатых веществах.
Позже были разработаны химические методы, позволяющие растворять целлюлозу в воде. Когда раствор пропускают через узкую форсунку, образуются прочные волокна, получившие название «вискоза». С химической точки зрения у вискозы много общего с хлопком, и из ее волокон можно соткать материал, из которого получится красивая одежда. В текстильной промышленности вискозу еще называют искусственным шелком (rayon). Когда этот же раствор сжимают до тонкого слоя, получается тонкая, прозрачная пленка под названием «целлофан». Эта пленка не пропускает ни влагу, ни масло, ни бактерий, а поэтому хорошо подходит для хранения пищи.
Пластик прошлой жизни
Авокадо, огурцы, перец, помидоры, фарш, замороженное рыбное филе, йогурт, пармезан и картофельные лепешки. Почти все, что я покупаю в продуктовом магазине, упаковано в пластик. Иногда он толстый и мягкий, а иногда тонкий и почти что хрупкий, иногда в нем есть выемки – авокадо устраиваются в отдельных прочных пластиковых контейнерах, хорошо подходящих им по форме. Пластик защищает от ударов, удерживает внутри влажность и не пускает снаружи кислород, функционируя как барьер от плесени, бактерий и вирусов. Без такой упаковки отправка продуктов из стран-производителей, разбросанных по всему миру, в ближайший ко мне продуктовый магазин потребовала бы куда больших усилий. Хотя какой-то пластик, оказывающийся у меня в сумке с покупками, избыточен, благодаря правильной упаковке еда не портится при транспортировке и ее не придется выбрасывать, когда она попадет в магазин или на кухонный стол[185].
Какие еще материалы можно сделать из молекул углерода, которые производят на свет растения и животные, – тут ограничить нас способна только фантазия. Но дешевый пластик, в изобилии окружающий нас, сегодня появляется не из того, что растет на земле. Кирпичики моей зубной щетки родились миллионы лет назад.
Умершие животные и растения не всегда превращаются в породу. Когда органический материал попадает в болота, на дно озера или океана, зачастую там недостаточно кислорода, чтобы микроорганизмы разрушили крупные молекулы углерода. Со временем останки живых существ покрывает постоянно увеличивающийся слой пыли, песка и щебня – они перемещаются в глубь земной коры. Там давление и температура увеличиваются, и крупные молекулы углерода начинают дробиться на более мелкие кусочки. Примерно на 3-километровой глубине молекулы сильно уменьшаются: то, что когда-то было твердым веществом, начинает превращаться в жидкость. Зачастую останки крупных организмов, таких как динозавры и деревья, до этой стадии не доходят. Они превращаются в уголь. Останки водорослей и других мелких существ, обитавших в океане, могут стать нефтью[186]. Кроме того, при нагревании органического материала всегда образуются мелкие молекулы, которые станут тем, что мы зовем природным газом.
Когда люди начали добывать нефть и использовать ее для получения энергии, многие химики экспериментировали с созданием пластика из имеющихся в нефти углеродных соединений. В 1907 году американцу Лео Бакеланду первому удалось сделать пластик из ископаемого сырья[187]. Это произошло в специальной лаборатории, построенной у него на заднем дворе. Новый материал он нескромно назвал в честь себя – «бакелит». Бакелит твердый, его можно заливать в формы и использовать во многих сферах – среди прочего как изоляцию для электрических компонентов и производства автозапчастей, телефонов и зубных щеток.
Постепенно появился почти бесконечный ряд синтетических пластиковых материалов, созданных на нефтяной основе[188]. Их общая черта: им можно придать высокую прочность, они дешевле, чем их собратья на природной основе, их можно изготовить в очень большом объеме. В отдельных товарах полимеры из целлюлозы еще тогда заменили такие природные полимеры, как шелк, слоновая кость и рог, а сейчас синтетические материалы взяли всю работу на себя. За XX век пластиковые материалы стали применять всё активнее: формованный пластик, пластиковая пленка, волокна, слоистый пластик, клей и покрытие для поверхностей.
Пластиковые материалы далеко не всегда состоят лишь из крупных молекул углерода. Зачастую они содержат и другие материалы, например частички сажи, известь, глину или древесную пыль: они придадут материалу прочность или иные свойства. Также в пластиковые материалы нередко примешивают волокна различных типов: принцип тот же, что и у армирующей стали в бетонных конструкциях. Хороший пример – применение стекловолокна вместе с такими пластиковыми материалами, как полиэфиры или эпоксидная смола: их используют для отливки прочных, легких предметов – корпусов лодок и лопастей ветрогенераторов.
Сегодня ежегодно производится почти 400 миллионов тонн пластика[189]. Для сравнения: потребление нефти в мире превышает 4 миллиарда тонн[190]. Следовательно, из всей выкачиваемой нами нефти на пластик идет лишь десятая часть. В то же время количество пластика, произведенного за последние 150 лет, стало значительным, не говоря уж о том, что он повсюду бросается в глаза.
Мусорный остров
Где-то в Тихом океане, между Новой Зеландией и Чили, расположен остров Хендерсон. Необитаемый рай находится в списке Всемирного наследия ЮНЕСКО как место с уникальной для мира ценностью, поскольку это один из немногих атоллов в мире, где человек практически не мешал развитию экосистем.