Семь элементов, которые изменили мир
Шрифт:
Я впервые узнал об использовании титана как отбеливающего средства, когда в конце 1980-х гг. работал финансовым директором компании Standard Oil. Компания Quebec Iron and Titanium (QIT) была нашим дочерним предприятием, созданным в 1948 г. вскоре после открытия крупнейшего в мире месторождения ильменита, титанового железняка, недалеко от живописного озера Алард в провинции Квебек [14].
После отделения железа, направлявшегося на производство стали, мы продавали титановый шлак изготовителям белого пигмента.
Посещая QIT, я мог с воздуха видеть огромное месторождение ильменита, на котором могли бы разместиться более сотни полей для американского футбола. С момента создания компания успешно развивалась. В 1950-х гг. производство титанового шлака выросло с 2000 до 230 000 тонн, а выработка железа – с 2700 до 170 000 тонн. В 1960 – 1970-х гг. было реализовано несколько программ модернизации и расширения производства, так как спрос на изделия из стали и титана вырос. Сегодня QIT выпускает 1 500 000 тонн двуокиси титана в год. Но на фоне общемировых запасов, оцениваемых в 700 000 000 тонн, результат выглядит скромным. Производство можно увеличить для удовлетворения растущего спроса, а из-за месторождений титана, в отличие от железа и нефти, не возникло бы никаких конфликтов.
Подобно небоскребам из стали и кремниевым микрочипам, рукотворная белизна повсюду окружает нас: теперь она повсеместный символ современности. Но почему из всех цветов людей так привлекает именно белый? Чтобы ответить, мы должны рассмотреть природу света.
В один из августовских дней 1665 г. сэр Исаак Ньютон слегка раздвинул шторы в своем кабинете в Вулсторп Холле. В результате образовалась узкая щель, через которую солнечный луч осветил помещение. На пути луча исследователь поместил стеклянную призму. Она позволяла увидеть семь цветов солнечного спектра на противоположной стене. С характерной тщательностью он измерил дисперсию света в кабинете и на основе полученных результатов разработал революционную теорию цвета [15].
В течение 2000 лет с тех пор, как Аристотель написал свой труд «De Coloribus», считалось: все цвета возникают из различных комбинаций черного и белого – двух крайностей цветовосприятия. Согласно этой теории, цвета радуги фактически добавлялись к белому самой призмой. Опровергая это утверждение, Ньютон использовал идентичную призму, показав: спектр может быть снова преобразован в исходный чисто-белый свет. Ньютон продемонстрировал, что цвет – внутреннее свойство белого света. Так он «расплел радугу» [16].
Ньютон разделил спектр на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый; число семь было выбрано в соответствии с представлениями о семи музыкальных нотах и семи небесных сферах. «Но наиболее удивительной и чудесной комбинацией, – писал Ньютон, – оказывается белый свет. Он составной. Белый свет можно назвать главным цветом радуги: из него возникают все остальные цвета» [17].
Солнечный свет, в отличие от золотистого солнца, белый и содержит весь спектр цветов. Солнце излучает разные цвета в разных пропорциях, которые после объединения создают ощущение белого [18]. И это не случайно: наши глаза эволюционировали на протяжении миллиардов лет таким образом, чтобы они могли воспринимать солнечный свет как самый яркий источник белого. Мы видим предметы белыми, когда они отражают свет разных цветов в той же пропорции, в какой цвета излучаются солнцем. Белый, по сути, – имитация солнечного света; мы красим предметы белым, чтобы они были яркими и заметными.
Золотистый, напротив, – отражение солнечного диска в небе, белое изображение которого золотится в результате дисперсии лучей света в атмосфере Земли [19]. Мы боготворим солнце и потому придаем высокую ценность золоту. Но так как белый свет распространяется повсюду, мы его практически не замечаем.
С тех пор как люди начали жить в пещерах, они всегда стремились создать безопасную и комфортную среду для спокойного существования их семей и более крупных человеческих сообществ. Мы возвели отделяющие нас от природы барьеры между собой и землей, дождем, ветром. Окрашивая стены жилищ в белый цвет, мы утверждаем господство над силами природы, которые непрерывно разрушают, портят и загрязняют возведенные людьми строения. Белые интерьеры наших домов и офисов создают яркий блеск, сравнимый с блеском солнца.
На первый взгляд белизна, обеспечиваемая двуокисью титана, выглядит менее впечатляющей, чем создание сверхзвукового самолета или глубоководных субмарин. Но посмотрим внимательнее и обнаружим: достичь белоснежного сияния, которое ассоциируется с титаном, технологически не менее сложно, чем создать титановый фюзеляж самолета «Блэкберд». Двуокись титана – не только исключительно яркая, но и клинически чистая. Крошечные частицы двуокиси титана поглощают ультрафиолетовое излучение солнца. Стена, покрытая ими, рассеивает энергию ультрафиолета, убивающую микробов на поверхности. Тончайший слой наночастиц на оконном стекле абсолютно прозрачен, но он поглощает УФ-излучение, которое осуществляет «санитарную обработку» поверхности. Покрытие также придает стеклу водоотталкивающее свойство: когда дождь барабанит по стеклу, на нем не образуется капель, и тонкий слой воды уносит продукты разложения грязи [20]. Недавно тот же принцип был положен в основу создания самочистящейся одежды [21]. Поглощая и одновременно отражая свет, двуокись титана образует безукоризненно чистую среду, в которой мы предпочитаем жить.
Уникальные свойства двуокиси титана также проявляются во взаимодействии с электронами. Подобно кремнию, двуокись титана – полупроводник, и может использоваться для получения электрического тока в фотоэлектрических элементах солнечных батарей. В то время как кремний и поглощает свет, и содержит электроны для передачи электрического тока, титан чувствителен лишь к ультрафиолетовому излучению. Это делает двуокись титана очень полезной в солнечных экранах, так как, хотя ультрафиолет вызывает загар, он менее полезен. Чтобы улавливать как можно больше солнечного света, на наночастицы двуокиси титана наносят специальную светочувствительную краску [22].
Технологические инновации часто возникают там, где мы их меньше всего ожидаем. Чтобы глубже рассмотреть титановые фотоэлектрические элементы, мы должны вернуться назад, в конец XIX в., когда разрабатывалась технология фотографии на основе коллоидного серебра. И коллоидное серебро, и двуокись титана сами по себе нечувствительны к излучению большей части видимого спектра. Первые фотоэмульсии были чувствительны только к синим тонам, а излучение красного края спектра не воспринималось ими вовсе. В 1873 г. немецкий фотограф Герман Вильгельм Фогель обнаружил: некоторые краски способны повышать чувствительность фотопластин к излучению разных частей светового спектра. Краски поглощают фотоны, идущие от солнца, и выталкивают электроны. Обладающие энергией электроны взаимодействуют с соседними молекулами коллоидного серебра. Эксперименты Фогеля позволили получать более четкие черно-белые, а затем и цветные фотографии. Сегодня подобные краски используют в фотоэлектрических элементах из двуокиси титана, но испущенные электроны не превращают зерна коллоидного серебра в серебро, а переносятся полупроводником – двуокисью титана – к электродам, генерирующим электроток.
Фотоэлектрические элементы – последний штрих в картине причудливых взаимоотношений титана с солнечным светом. Наряду с титановыми белилами и искусственными красителями, имитирующими свет солнца, а также экранами, защищающими нас от солнечных лучей, двуокись титана может использовать энергию солнца, чтобы вырабатывать электричество.
Титан наряду с ураном и кремнием – одно из трех послевоенных «чудесных» веществ. Каждый из них показывает, как изменяется мир благодаря открытиям. Наиболее впечатляюще это продемонстрировал уран, когда его колоссальная энергия обрушилась на жителей Хиросимы. Однако титан как в военной, так и в гражданской сферах также повлиял на формирование облика послевоенной эпохи. Влияние химических элементов прослеживается ретроспективно на тысячи лет, до эпохи возникновения первых человеческих сообществ. Тем интереснее размышлять о роли трех элементов в истории человечества.