Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Нанотехнологии сегодня у всех на слуху, потому что теперь мы вооружены микроскопами и инструментами для прямого воздействия на эти мельчайшие скопления атомов и можем создать целый ряд новых наноструктур. Например, накопители света, которые сохраняют его в виде электричества, наноизлучатели и даже запахоуловители. Кажется, наши возможности безграничны, но самое интересное, что многие наноструктуры способны к самосборке. То есть материалы умеют сами себя создавать. Звучит пугающе, но на самом деле это полностью укладывается в законы физики. Ведь в чем принципиальная разница между мотором автомобиля и нанодвигателем? В нановерсии преобладают и очень ярко выражены электростатическая сила и поверхностное натяжение, которые удерживают частицы вместе, в то время как сила тяжести очень слаба. На автомобильный двигатель сильнее всего действует земная гравитация, растаскивающая детали двигателя в разные стороны. Можно сконструировать наномашины, которые будут собирать (и чинить) себя сами под действием электростатической силы и поверхностного натяжения. Подобная молекулярная машинерия по большей части уже присутствует в клетках, почему они и способны к самосборке, а вот мы на своем, человеческом, уровне нуждаемся в клее и мускулах.

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.