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

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.