Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Чем же отличается от перечисленных материалов стекло? Все дело в его внутренней атомарной структуре. В стекле все электроны полностью связывают его аморфную структуру, свободных электронов нет. Для их возбуждения нужна значительная энергия. Они не могут поглощать фотоны видимого света, как металлы. Поэтому эти фотоны свободно «пронзают» структуру стекла. Атомы последнего даже не «замечают» их, не взаимодействуют с ними. Если мы используем ультрафиолетовый свет, фотоны которого обладают большей энергией по сравнению с видимой частью спектра, то их стекло поглощает. Именно поэтому под ультрафиолетовым освещением оно выглядит непрозрачным и темным[110]. Когда стекло окрашивается путем добавления атомов различных металлов, совмещаются атомарные структуры обоих материалов: стекло пропускает свет, а атомы металлов внутри него определяют цвет видимого света.

Умное стекло

Твердое вещество, сквозь которое мы можем видеть: стекло – привычный нам материал, одновременно удивительный и банальный. Мы воспринимаем его как часть жизни. Мы часто не замечаем окон, пока какой-нибудь неосторожный воробушек не ударится о них. Я не утверждаю, что стекло совершенно. Вовсе нет. Оно хрупкое и острое, собирает на себя огромное количество грязи, легко пропускает жар и (как последняя ябеда) выдает наши секреты всем, кто ими интересуется. К счастью, последние научные достижения позволяют преодолеть эти недостатки. В последнее время появилось много видов умного стекла.

Останавливая тепло

Сидя в кресле зимой у окна, можно продрогнуть, и не только потому, что в местах крепления стекла к раме обязательно будут микрощели: само стекло пропускает комнатное тепло наружу. Если вам не совсем понятно, почему твердое стекло пропускает тепло, представьте, что вы сидите у костра или камина. Если вы расположитесь слишком близко к огню, то почувствуете, как у вас разогреются щеки, хотя между вами и огнем будет приличная воздушная прослойка. Как будто на вас действуют какие-то невидимые тепловые лучи. Именно это и происходит.

Тепло может распространяться даже в вакууме, например между Солнцем и Землей, в форме инфракрасного излучения. Оно похоже на свет и передвигается в пространстве с такой же скоростью – около 300 000 км/с. Правда, его волны несколько длиннее световых[111]. В радуге, где цвета располагаются от красного снаружи до голубого внутри дуги, инфракрасное излучение обнаружится только на границе красного спектра, причем оно будет невидимым. Если тепловые лучи похожи на световые волны и распространяются одинаково, неудивительно, что тепло проникает сквозь стекло. Там, где проходит свет, пройдет и тепло.

Решение простое: сделайте зеркальные окна, покрыв стекло очень тонкой пленкой оксида какого-нибудь металла (отлично подойдет диоксид титана). Если толщина покрытия составит всего несколько атомов, то это не помешает свету проникать сквозь стекло. Но в полуденную летнюю жару эта почти невидимая пленка будет великолепно отражать тепловые (инфракрасные) лучи, помогая сохранять прохладу в доме. А холодными зимними ночами, когда в доме значительно теплее, чем снаружи, любое производимое в помещении тепло (с помощью центрального отопления или электрических рефлекторов) будет отражаться от металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность окон, и оставаться в доме.

Стекло, чистое до скрипа

Многим нравятся чистые и сверкающие окна. Но не все жаждут добиваться этой чистоты с помощью высоких стремянок, губки со специальным моющим раствором и чистого куска замши для протирки насухо. Возможно, вы спросите: почему окна домов там, где дожди идут чаще, чем светит солнце, не очищаются от грязи сами собой под потоками дождевой воды? На деле грязь накапливается на внешней стороне стекол, и на нее налипает новая грязь. Вот и вся помощь от дождика.

К счастью, уже появились инновационные самоочищающиеся окна. Однако в отличие от лобовых стекол на машинах, очищающихся с помощью скрипучих дворников и омывающих жидкостей, в самоочищающихся окнах работает не механика, а химия. Так же как теплозащитные окна, эти стекла покрыты диоксидом титана. Любители позагорать на пляжах хорошо знают, что солнечный свет имеет в своем составе невидимый, но достаточно опасный для человека компонент под названием ультрафиолетовое излучение. Оно сморщивает кожу человека, как излишний жар – куриную кожицу. В крайних случаях излишнее воздействие ультрафиолета на кожу человека может вызывать рак кожи. Ультрафиолет – «синий» аналог инфракрасного излучения. Длина волн у него чуть меньше, чем у нормального голубого света. Он невидим, но его можно обнаружить на границе голубого спектра радуги. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение можно представить себе невидимыми «стойками на книжной полке», между которыми располагаются видимые глазу спектры света.