Из чего всё сделано? Рассказы о веществе
Шрифт:
Давайте я расскажу вам историю об одном простом веществе, которое состоит из атомов одного элемента. И элемент этот проще некуда — уже хорошо вам известный углерод. И строение его простое — плоская сетка, сплетённая из правильных шестиугольных ячеек. И имя у него простое — графен.
Тем не менее за получение и изучение свойств этого вещества была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год. Её получили Андрей Гейм и Константин Новосёлов, выпускники Московского физико-технического института, которые в последние годы работают в Манчестерском университете в Великобритании.
В этой истории много удивительного. Начнем с того, что формально графен был известен любому школьнику старших классов — ведь из его «листов» сложен
Медаль лауреата Нобелевской премии — высшая награда в науке. Её учредил более ста лет назад Альфред Нобель, химик между прочим. Одно из его главных изобретений — динамит
Как же это сделали будущие нобелевские лауреаты? Очень просто. Взяли подходящий кристалл графита, приложили к его поверхности обычный скотч и — рванули. Простые решения зачастую оказываются самыми надежными и правильными. К скотчу прилип один-единственный слой графита — столь желанный графен. После этого скотч приложили к поверхности немного окисленной кремниевой пластины, и графен «прилип» к ней. Пришла пора детально изучить его удивительные физические свойства.
Но нас интересует химия. За немногие прошедшие после этого открытия годы химики разработали сразу несколько разных способов получения графена, и теперь это вещество считают одним из наиболее перспективных для будущей электроники.
Кстати, похожая история произошла в конце прошлого века. Началась она в 1973 году, когда российские учёные Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн предсказали, что может существовать молекула, которую никто никогда не видел. Она должна быть составлена из 60 атомов углерода и напоминать по форме футбольный мяч. Вскоре эти молекулы были обнаружены в межпланетном пространстве с помощью спектров, которые мы обсуждали во второй главе.
В земных условиях фуллерен впервые получили в 1985 году американские учёные Роберт Керл, Харолд Крото и Ричард Смолли. Но в таком ничтожном количестве, что его нельзя было взвесить даже на самых чувствительных весах. Химики засучили рукава и такого напридумывали, что сегодня фуллерен синтезируют граммами и килограммами и стоит он дешевле, чем стекло от Сваровски. А самое главное — придумали, как применить это вещество в самых разных областях, от медицины до солнечных батарей. Нобелевская премия по химии первооткрывателям тоже не заставила себя долго ждать — американские исследователи получили её в 1996 году.
Так что возможности химии далеко не исчерпаны. Каждый год приносит новые открытия, даже в области таких простых веществ. И если вы в будущем решите стать химиком, у вас будет чем заняться — химия хранит ещё много неразгаданных и потрясающе интересных тайн.
Вы хотите побывать в космосе? Самому увидеть нашу Землю, летящую в безвоздушном пространстве, и вволю покувыркаться в невесомости? Когда мне было столько же лет, сколько вам сейчас, все сходили с ума по космосу, ведь это было время первых пилотируемых полётов. Фамилии первых космонавтов — Гагарина, Титова, Николаева, Поповича — мы знали наизусть.
Но это сколько же месяцев и лет нужно тренироваться перед полётом, чтобы при старте ракеты не умереть от огромных перегрузок, и вообще — опасное это дело. Вот если бы в космос можно было подняться на лифте, таком, что ходит в наших домах!
Впервые эта фантастическая идея пришла в голову Константину Эдуардовичу Циолковскому более ста лет назад, когда он впервые увидел Эйфелеву башню в
Когда снизу смотришь на Эйфелеву башню, кажется, что она достаёт до неба. Возможно, будущий космический лифт будет иметь похожее основание
Но как его сделать? Давайте проведём небольшой эксперимент, и вы сразу поймете суть дела. Надеюсь, у вас есть одна из моих любимых игрушек — волчок. Земля, как вы, несомненно, знаете, обращается не только вокруг Солнца, но и вокруг собственной оси, поэтому день сменяет ночь. Вот волчок и будет в нашем эксперименте Землёй. Теперь давайте возьмём толстую нитку длиной сантиметров десять-пятнадцать и прицепим к обоим её концам два небольших шарика из пластилина. Затем один из шариков прилепим к «экватору» волчка.
Пока волчок не вращается, нитка с пластилиновым шариком уныло свисает вниз. Но стоит нам сильно раскрутить волчок, как нитка поднимется и будет лететь над полом, оставаясь все время ровной, словно она сделана из металла. А теперь представьте, что шарик на конце нитки — это космическая орбитальная станция вроде той, что летает сейчас над нашей Землёй, а нитка — это трос, который соединяет станцию с Землёй. Трос уходит вертикально в небо и не нуждается ни в каких подпорках, а по тросу ползёт кабина лифта, которая доставляет на орбитальную станцию космонавтов и различные грузы. Правда, красивая идея?
Но тут есть одна загвоздка. Дело в том, что сделать такой трос чрезвычайно трудно. Если мы возьмём обычный стальной трос, то он разорвётся под действием собственного веса при длине всего лишь семьдесят километров. Как это происходит, вы можете убедиться сами, если скатаете из пластилина или теста длинную тонкую «нитку» и поднимете её за один конец над полом.
Так что сталь, да и другие металлы с полимерами, для этой цели не подходят. И тут за дело взялись химики. Из атомов углерода они «сложили» ещё одно удивительное вещество — углеродные нанотрубки. Они действительно похожи на трубки, но очень тонкие. Их диаметр примерно в десять тысяч раз меньше толщины вашего волоса, так что их, как и транзисторы, и фуллерен, невозможно разглядеть в обычный оптический микроскоп. Их можно вкладывать одну в другую, как матрёшки, или заполнять их внутренность атомами других элементов, как это делает мама, фаршируя перцы.
Но для нас с вами сейчас важно другое. Прочность углеродных нанотрубок в десять раз больше, чем у стали, а вес (плотность) — в шесть раз меньше. Если мы сплетём из них толстый канат, то получим почти идеальный материал для космического лифта.
Впрочем, до этого ещё далеко. Хотя, как знать? Одна американская компания уже сообщила об успешном испытании 400-метровой модели космического лифта и объявила о намерении начать доставку грузов на орбиту, включая космических туристов, в 2031 году. А до этого, возможно, построят лифт на самую высокую гору в мире — на Эверест.