Жидкости

В 1927 г. профессор Томас Парнелл из Квинслендского университета затеял эксперимент с целью посмотреть, что произойдет с куском черного битума, если положить его в воронку и там оставить. Выяснилось, что на протяжении часов и суток битум ведет себя как твердое вещество и остается там, куда его положили. Но по прошествии месяцев и лет он начал вести себя как жидкость. Он стек по трубочке воронки и начал образовывать капли. Первая упала в 1938 г., вторая – в 1947 г., третья – в 1954 г. и т. д.; девятая капля упала недавно, в 2014 г. Удивительное поведение для вещества, которое кажется таким твердым, когда вы проезжаете по нему на автомобиле. Ездите вы, конечно, по асфальту, но это и есть битум, только в смеси со щебенкой. В чем же тут дело?

Эксперимент Квинслендского университета по капанию битума (фото сделано в 1990 г., за два года до седьмой и за десять лет до восьмой капли). © The University of Queensland

Битум – гораздо более интересный материал, чем кто-либо первоначально предполагал, включая специалистов-материаловедов. Это вещество, извлекаемое из земли или получаемое в качестве побочного продукта при переработке сырой нефти, на первый взгляд кажется всего лишь скучной черной густой грязью. Но на самом деле это динамическая смесь углеводородов, образовавшихся за миллионы лет при разложении молекулярной структуры биологических организмов. Продукты разложения представляют собой сложные молекулы, которые, хотя и не являются больше частью живых систем, самоорганизуются внутри битума, создавая набор взаимосвязанных структур. При нормальных температурах у более мелких молекул хватает энергии, чтобы передвигаться по его внутренней архитектуре, что и придает материалу текучесть. Так что битум – жидкость, хотя и очень вязкая: его вязкость в два миллиарда раз выше, чем у арахисовой пасты. Именно поэтому битуму профессора Парнелла потребовалось так много времени, чтобы прокапать через воронку.

Как текучесть жидкости внутри асфальтовой дороги позволяет трещинам самостоятельно затягиваться

Характерный для битума жгучий запах исходит от молекул, содержащих серу: химический элемент, часто ассоциируемый с пахучими органическими веществами. Когда вы проходите или проезжаете мимо рабочих, укладывающих новое дорожное покрытие, вы видите, как они разогревают битум, и чувствуете соответствующий запах. Разогрев обеспечивает молекулам в составе битума дополнительную энергию, что повышает их подвижность, а значит, текучесть материала. Но дополнительная энергия также позволяет большему числу молекул улетучиться в воздух, и при разогреве это вещество становится более пахучим – точно так же, как напитки будут ароматнее, если их подогреть.

Пахучая жидкость может показаться идиотским выбором материала для строительства дороги, но инженеры добавляют в нее щебенку, создавая композитный материал: частью жидкость, частью твердое вещество. Похоже, кстати, на структуру арахисовой пасты, которая состоит из большого количества кусочков молотого арахиса, помещенных в масло. Прочность и твердость камней поддерживают вес автомобилей, проезжающих по асфальту, и помогают дороге противостоять природным условиям. Иногда, если силы, действующие на дорогу, слишком велики, в полотне появляются трещинки, но, как правило, между камнями и скрепляющим их битумом. В этом случае на помощь приходит жидкая природа битума: он течет и заново затягивает эти трещинки, позволяя дороге самовосстанавливаться и служить намного дольше, чем любая твердая поверхность.

Конечно, многим пользователям автодорог доводилось замечать, что свойства самовосстановления имеют предел: со временем дороги все же стареют и начинают разрушаться. Отчасти в этом виновата температура. Если она опускается ниже, скажем, 20 °C, жидкий битум становится таким вязким, что уже не может течь и залечивать трещинки по мере их появления. Кроме того, со временем кислород воздуха реагирует с молекулами на поверхности битума и изменяет их свойства, делая битум опять же все более вязким и все менее способным запечатывать трещинки. Через некоторое время дорожное покрытие меняет цвет и постепенно теряет текучесть, точно так же как кожа наша становится с возрастом менее гибкой и более сухой. Именно тогда на дороге появляются мелкие ямки, которые, если о них не позаботиться, постепенно растут и со временем полностью разрушают покрытие.

Хорошая иллюстрация к сказанному – мое путешествие на аэропортовском автобусе до гостиницы. Въехав в город, мы сразу же застряли в пробке, возникшей из-за перекрытия полос для замены дорожного полотна. Автобус еле полз, пока три полосы движения не сошлись в одну – по моей оценке, километр с небольшим мы ехали полчаса. Мои внутренние часы подсказывали, что сейчас два часа пополуночи; я устал и отчаянно хотел в туалет.