Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Производство мелких вещей тоже имеет свою цену. Чем предмет меньше, тем чище он должен быть, чтобы работать. Большое радио, собранное из металлических деталей, которые можно подержать в руке, вполне способно работать, даже если в деталях содержится большое количество примесей, а если деталь мала и состоит всего из нескольких атомов, важен каждый из них. Вот как устроена современная электронная промышленность: производство организовано в лабораториях – настолько стерильных, что серьезные проблемы создаст даже одна-единственная частичка пыли. Удается это благодаря сложным вентиляционным и фильтрационным системам – что, в свою очередь, требует большого количества энергии и четкого контроля всего происходящего с оборудованием[145].

Между довольно высоким уровнем чистоты, очень высоким и ультравысоким немалая разница. Например, примеси одного вещества можно убрать с помощью дистилляции – это возможно благодаря тому, что у всех чистых веществ своя температура кипения. Когда во время дистилляции производят спирт, смесь воды и алкоголя нагревается и в форму газа вместе с очень небольшим количеством воды переходит алкоголь. Чтобы убрать как можно больше воды, процесс необходимо повторить несколько раз. На выпаривание алкоголя на каждом этапе тратится много энергии, и с каждым разом какое-то количество алкоголя неизбежно теряется. Тот же самый принцип касается и других материалов, нуждающихся в очистке. Хотя получающийся в итоге крошечный механизм потребляет мало энергии и мало весит, на стадии производства за ним стоит трата большого количества энергии и химикатов. Энергия, которая тратится на химическое разделение – процессы, во время которых вещества отделяются друг от друга, – на сегодняшний день соответствует примерно трети всей той энергии, что расходует мировой транспортный сектор[146].

Существует несколько методов производства мелких объектов. Бактерии и иные живые организмы тоже своего рода мелкие механизмы. Ученые уже умеют менять генетический материал простейших организмов, чтобы они вырабатывали определенные химические вещества. Ряд бактерий сами по себе производят электрические провода всего в несколько атомов толщиной[147]. Сейчас ученые выясняют, какие гены управляют производством этих материалов. В будущем мы сможем применить эти знания для разработки собственных электронных компонентов, создав бактерии специально для этого.

Возможно, электронику ждет иное будущее: мы сами, взаимодействуя с другими живыми организмами, станем компьютерами. Детали компьютеров будут в меньшей степени состоять из металлов, добываемых из земли, а больше – из живых организмов, а энергию они будут черпать из солнечного света, а не ископаемых. Для всего этого по-прежнему нужны многолетние исследования и дорогостоящие условия.

Бактерии или растения никогда не будут производить для нас всю необходимую электронику. Не в последнюю очередь это касается космических полетов. Они важная составляющая наших технологий и науки: мы способны разворачивать деятельность не только на Земле, но и в космосе. Материалы, используемые за пределами земной атмосферы, должны обладать сверхпрочностью. Мы знаем, что, если будем слишком долго загорать, можем обгореть и заболеть раком кожи. Все потому, что несущий энергию диапазон солнечного света, называемый ультрафиолетом, способен разрушить химические связи в молекулах, из которых состоит наша кожа. К счастью для нас, фотосинтез подарил нам озоновый слой в атмосфере, мешающий опасному излучению добраться до поверхности Земли. С внешней стороны слоя это излучение гораздо сильнее. Не стоит ожидать, что органические молекулы в созданной бактериями электронике осилят путешествие в космос.

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.

5 Кальций 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.