На протяжении всей истории человечества новые материалы играли решающую роль в его развитии, приводя к весьма значительным социальным и технологическим изменениям. В данной статье мы кратко рассмотрим влияние ключевых материалов на ход истории и перспективные направления развития науки о материалах. К числу наиболее важных материалов, определивших этапы развития цивилизации, относятся природный камень, бронза, железо, полимеры и кремний. Каждому из них соответствует определённая эпоха: каменный век, бронзовый век, железный век. Выбор материала диктовался его физическими характеристиками, такими как твердость и трещиностойкость, которые определяли пригодность для изготовления орудий труда. В современном мире нанотехнологии и разработка новых материалов стали “сквозными” технологиями, оказывающими влияние на все сферы деятельности человека: от энергетики и информационных технологий до медицины.
На сегодняшний день наблюдается тенденция к созданию материалов с заданными свойствами, а также интеграции производства самих материалов и устройств на их основе. При этом учет свойств материала становится неотъемлемой частью проектирования конечного продукта, а требования к его разработке и производству всё более строгими.
Рост спроса на высокотехнологичную продукцию с новыми потребительскими характеристиками стимулирует развитие науки о материалах и активное внедрение нанотехнологий.
Камень
Примеры: каменные орудия и орудия, изготовленные при помощи каменных инструментов.
Самым древним каменным орудиям, известным сегодня, 3,3 миллиона лет.
Рубило, 500 000–300 000 до н. э. (нижний палеолит, ашельская культура). Место находки: Сентгабель, Верхняя Гаронна, Франция. // commons.wikimedia.org
Ашельская культура (1,76 млн — 150/120 тыс. лет назад) культура раннего палеолита. Первая человеческая культура, покинувшая пределы Африки.
Не из всякого камня можно было изготовить пригодные орудия. Идеальный кандидат должен был быть твердым, иметь острый скол и высокую трещиностойкость.
Древние люди ценили высокую твердость камня: обрабатывали им дерево, использовали в качестве плуга или оружия. Но у него есть недостаток — низкая трещиностойкость, поэтому каменные орудия недолговечны.
Люди использовали разные типы камней для изготовления орудий. Наиболее широко применялся кремень, а в вулканических районах распространен и пользовался популярностью обсидиан. В некоторых древнейших захоронениях были обнаружены кристаллы горного хрусталя, что говорит о том, что уже древние люди собирали минералы и интересовались ими.
Бронза
Примеры: бронзовые статуэтки, мечи, кинжалы, церемониальные и культовые предметы.
Небесный диск из Небры. ок. XVII в. до н. э. Археологический музей, Галле // commons.wikimedia.org
Мечи бронзового века из Апы (Румыния), около XVII в. до н. э. // commons.wikimedia.org
Медный слиток с Крита. Минойская цивилизация. // commons.wikimedia.org
Минойская цивилизация относится к эгейской цивилизации бронзового века острова Крит (2700—1400 гг. до н. э.). Основные очаги располагались в Кноссе, Фесте, Закросе и Тилиссе.
Трещиностойкость у металлов на порядок выше, чем у камней. Когда люди научились выплавлять бронзу, они получили более долговечные орудия, которые не скалываются и не крошатся, как камень, после нескольких использований. В жизни человека появились новые отрасли и профессии: обработка и литье металлов, ковка и гравировка. Новые мастера производили украшения, элементы одежды, оружие, доспехи, инструменты для быта и земледелия. Бронза в руках людей создала новые рынки, которые привели к росту международной торговли и установлению новых культурных связей — бронзовые изделия экспортировались в регионы, где их не производили.
Открытие бронзы — одно из самых нетривиальных открытий человечества. Дело в том, что бронза — это сплав меди с оловом. Медь достаточно распространена в природе, а вот олово более редкий металл, в природе встречающийся не в чистом виде и не там же, где есть медь. Основным источником олова является минерал касситерит (SnO2), выплавить из которого олово совсем не тривиально, и главным и чуть ли не единственным месторождением касситерита в Древнем мире было месторождение на территории современной Англии, очень далеко от тогдашних центров цивилизации.
Железо
Сталь
сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 % железа и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 %.Углерод придаёт сплавам прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Примеры: железное оружие, нержавеющие ножи, посуда.
После бронзы люди научились выплавлять железо. Оно очень распространено в природе, и как чистое железо, так и его сплавы тверже бронзы и более трещиностойкие, поэтому железные орудия со временем вытеснили бронзовые. Проблема железа и его сплавов в том, что они ржавеют, корродируют. И до сих пор человечество не знает универсального рецепта, как это преодолеть. Из железа люди смогли изготавливать не только гораздо более эффективные орудия труда, но и более смертоносное оружие.
Можно говорить о том, что после железного века был век пара, затем век электричества. Но доминирующим материалом и в эти времена продолжали оставаться сплавы на основе железа — например, сталь и чугун. Оказалось, что свойства сталей можно очень сильно менять даже небольшими добавками легирующих элементов и изменением процесса приготовления сплава и изделия из него. Существует огромное разнообразие сталей для разных применений.
Нож с рукояткой из слоновой кости и надписью из Корана (Knife with an Ivory Handle and Qur’anic Inscriptions), начало XIX в., Иран. Metropolitan Museum of Art, Нью-Йорк. // metmuseum.org
К знаменитым видам стали относятся булат и дамасская сталь, которую использовали на Ближнем Востоке, от Сирии до Индии. Об этих сплавах ходят легенды. И если булат — собирательное название для твердых и вязких сплавов железа и углерода — удалось воспроизвести, то мы до сих пор не знаем всех нюансов производства дамасской стали: в XVIII веке секрет ее выплавки исчез.
Полимеры
Примеры: пластик, полиэтилен, кевлар.
Полимеры – это вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимерами могут быть неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества.
В 20–30-е годы ХХ века наступила эра полимеров. Нельзя представить нашу жизнь без пластиков, резин и тому подобного. Эра этих материалов длилась вплоть до начала компьютерной революции, но и сейчас они играют огромную роль в нашей жизни (мы и сами состоим из полимеров!). Синтез полимеров оказался очень непростой задачей, с которой ученые блестяще справились в 20–30-е годы XX века.
Полимеры уникальны, потому что сочетают в себе несколько противоположных качеств. С одной стороны, в основе полимеров лежат длинные цепочки органических блоков с очень сильными связями — к ним относятся, например, связи «углерод — углерод», тянущиеся на тысячи атомов. Эти связи очень жесткие, одни из самых сильных, что только возможны между атомами химических элементов. Поэтому порвать такую полимерную цепочку непросто.
С другой стороны, эти цепочки обладают гибкостью. И в зависимости от того, как эти цепочки укладываются в пространстве, можно получить абсолютно разные результаты. Если цепочки полиэтилена спутаются между собой и образуется неупорядоченная структура, то мы получим обычный полиэтилен — такой, как в полиэтиленовом пакете. Это гибкий материал, но не очень прочный.
Если мы сможем упаковать очень длинные цепочки полиэтилена по-другому, чтобы они не запутывались в клубок, а шли бы параллельно друг другу и формировали высокоупорядоченный кристалл, то получится феноменально прочный полимер — его называют сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, и ему сулят применения от теплоотводов до бронежилетов. Другой уникальный полимер — кевлар — уже давно используют в бронежилетах.
Кристаллическая структура кевлара // commons.wikimedia.org
Высококачественный, высокоупорядоченный полиэтилен с очень длинными цепочками — сверхвысокомолекулярный полиэтилен — обладает не только очень высокой прочностью, но и невероятно высокой теплопроводностью. Есть теоретические расчеты и даже первые эксперименты, согласно которым теплопроводность полиэтилена такая же, как у металлов. Если это окажется так, то этот сверхлегкий и прочный материал с огромной теплопроводностью станет полезен для многих применений, ведь им отчасти можно будет заменить металлы.
Кремниевые полупроводники
Пример: транзисторы, компьютеры, компьютерные микропроцессоры и солнечные батареи.
Самый распространенный пример кремниевого полупроводника — это транзистор. За его изобретение американский физик Джон Бардин вместе с коллегами получил Нобелевскую премию в 1956 году.
Копия первого работающего транзистора, 1997 год // commons.wikimedia.org
Джон Барди́н — американский физик, получивший две Нобелевские премии по физике, одну из которых за создание транзистора.
Первые транзисторы были основаны не на кремнии, а на германии, с которым оказалось трудно работать. Мало того, что он редкий и дорогой, — он очень чувствителен к поверхностному окислению. Оно приводит к тому, что значительная доля транзисторов, которые вы сделаете, окажутся нерабочими. Для того чтобы понять, почему одни транзисторы на германии работают, а другие нет, ученые изучили структуру и состав его поверхности. Для этого пришлось создать новые экспериментальные методы и разработать теории, а также усовершенствовать методы обработки кристаллов. Так в транзисторах появился кремний, который оказался гораздо более податливым материалом. Но для этого пришлось очищать его от примесей до невероятных степеней чистоты. Сейчас люди могут делать кремний практически с нулевым содержанием примесей, и это исключительно сложная задача, с которой ученые справились, и теперь производство монокристаллов кремния удивительной чистоты — рутинный процесс. Сейчас монокристаллы кремния можно растить практически вовсе без примесей, добавляя разные элементы.
Кремний // commons.wikimedia.org
Теперь кремний везде: в каждом телефоне, компьютере, планшете. И кажется, люди не скоро смогут заменить кремний чем-либо другим. Давно идут разговоры об оптическом компьютере, о разных квантовых компьютерах, но тут не все просто. Сегодня кремниевая электроника занимает очень прочные позиции и не собирается их сдавать.
Кремний – это неметалл, второй по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода). Исключительно важен для современной электроники.
Кремний используют для производства солнечных батарей. Солнечная энергетика набирает обороты, особенно в южных регионах, скажем в Калифорнии. Уже сейчас в Китае большой процент электроэнергии генерируется солнечными батареями, а в Индии эта ниша пока не развита, но очевидно, что она будет набирать обороты все больше. Есть прогноз, что к 2050 году 16% электроэнергии человечество будет получать благодаря солнечным батареям, то есть кремнию.
Но кремний слабо поглощает солнечный свет, что связано с особенностями его электронной структуры. Чтобы преобразовать значительную часть солнечного света в электричество, приходится использовать достаточно толстые слои кремния, что неудобно: это делает солнечные батареи относительно громоздкими и хрупкими и ограничивает сферу их применения. Но уже существуют другие материалы — например, гибридные перовскиты, которые поглощают солнечный свет эффективнее. Их можно использовать в солнечных батареях, нанося тончайшим слоем, как краску на стены домов. Сейчас эти материалы активно изучают во всех странах мира, но до практического применения они пока не дошли, потому что они быстро разрушаются. В этом смысле, конечно, у кремния более выгодная позиция.
Рано или поздно в солнечных батареях кремний заменят более эффективным материалом. Вероятно, и в электронике кремний когда-нибудь уступит свои позиции, дав дорогу другим, более интересным направлениям. Может быть, это будут оптические компьютеры или что-то еще. Мы не знаем, но жизнь не стоит на месте. Научно-технический прогресс становится все быстрее; между двумя предыдущими революционными материалами — полимерами и кремнием — прошло всего несколько десятилетий. И скорее всего, в течение следующих нескольких десятилетий появится материал, который полностью изменит уклад нашей жизни.
Что дальше?
Материалы будущего, которые можно использовать уже сегодня
Легкий металл, который не тонет в воде, ткань, которая меняет цвет по первому требованию, гель не тяжелее воздуха — мы выбрали пять футуристических материалов, которые с легкостью можно использовать уже сейчас. А вдруг именно вам придет в голову идея, какой инновационный объект из этих материалов создать?
Металл, похожий на воздушный шоколад
Пенометалл — прочный и легкий материал с теплопроводностью в разы ниже, чем у металла, из которого он изготовлен. Вспенивают алюминий, сталь, латунь, титан и различные сплавы.
Производят подобные материалы с 1990-х годов, но с совершенствованием технологии они приобретают все более невероятные свойства. Например, некоторые образцы могут останавливать бронебойные пули, сжиматься до 80 процентов от своего размера под воздействием веса или держаться на поверхности воды. Способов получения металлопены очень много — можно пропускать горячий газ через расплавленный металл, использовать реактивы, выделяющие газ при нагревании, или формы из полиуретановой пены.
Металлическую пену применяют в авиа- и машиностроении, в теплоизоляции и для производства легких ударопрочных деталей. Примечательно, что пенометалл легко обрабатывается, разрезается, склеивается со стеклом и другими материалами, а значит, его можно использовать и в декоративных целях.
Гель, в котором жидкость заменили газом
Аэрогель – прекрасный теплоизолятор, прозрачный прочный материал, который на 98% состоит из воздуха, а значит – почти полностью невесом. Производят его на основе диоксида кремния, глиноземов, оксидов олова или хрома.
Аэрогель впервые был синтезирован еще в 1931 году американским химиком Стивеном Кистлером, а уже в 1990-х годах был создан аэрогель на основе углерода. Производство аэрогеля трудозатратное, но не очень сложное: сначала гель полимеризуют, потом с помощью спирта обезвоживают и высушивают в специальном аппарате с помощью углекислого газа. Из-за рекордно низкой плотности аэрогель выглядит как прозрачный голубоватый воздух.
Применяют аэрогель для теплоизоляции скафандров космонавтов, в куртках альпинистов и в промышленной теплоизоляции. Слой аэрогеля толщиной в 2,5 см способен защитить от жара паяльника или газовой горелки.
В интерьере такой гель можно использовать, например, для создания эффекта левитации объектов, а также для продвинутой теплоизоляции.
Та же бумага, только из известняка
Каменная бумага – это белоснежный прочный водонепроницаемый материал, писать на котором даже приятнее, чем на обычной бумаге. Производят его из карбоната кальция (основы мела и известняка) и нетоксичной смолы с добавлением полиэтилена низкого давления.
Первый каменный лист был произведен в 1990-х годах компанией Taiwan Lung Meng Technology Co.; с тех пор каменная бумага была запатентована более чем в сорока странах. При производстве каменной бумаги не требуется вода, кислоты и отбеливание, поэтому ее изготовление может стать альтернативой токсичному производству целлюлозы и способствовать уменьшению вырубки лесов (для производства каменной бумаги используются отходы известедобывающей промышленности). Необычная бумага легко поддается переработке, а в природе довольно быстро распадается на компоненты.
Такая бумага подходит для всех видов печати. Ее можно применять для производства любых изделий — от блокнотов и книг до упаковки и светильников.
Умная одежда (или обивка для кресла)
В широком смысле, наноткань — это любая ткань, произведенная с применением нанотехнологий. Видов наноткани очень много: существуют легкие ткани с титановым или алюминиевым напылением; ткани со светодиодными экранами; ткани с полимерными чипами; бронированные ткани, выдерживающие невероятные нагрузки; водостойкие, пылезащитные ткани; лечебные ткани.
Первые наноткани появились еще в начале 1990-х годов, и с тех пор ткани с новыми свойствами изобретаются постоянно. Чтобы перечислить их все, придется написать отдельную книгу, правда, пока она будет издаваться, уже появятся новые материалы. Вообще, если придумать необычное свойство для ткани и погуглить его, скорее всего, окажется, что прототип такой ткани уже существует. Производят наноткань из нанотрубок, или вшивая другие материалы в саму текстуру ткани, или напыляя, например, металл на обычную ткань. Что сшить из наноткани — вопрос вашей фантазии и финансовых возможностей.
Материалы из грибного мицелия
Контролируемо размножая мицелий, а затем засушивая его, можно получить материал самой неожиданной формы и структуры: от искусственной кожи до блоков для строительства. То есть мебель или другие объекты можно просто вырастить из грибов.
Впервые посевной мицелий из спор шампиньона был получен чуть больше ста лет назад. Для производства экомебели и строительных блоков его начали активно использовать только в новом тысячелетии. Предметы из мицелия полностью экологичные, очень прочные и легкие. Кроме того, они влагостойкие, негорючие, а внешне напоминают пенопласт.
Чтобы сделать объект из мицелия, его смешивают с органическими отходами — например, шелухой от круп или сахаросодержащими продуктами. Смесь выращивают на каркасе и измельчают, а уже потом придают ей нужную форму. Чтобы материал стал прочным, его обжигают или подвергают другим видам обработки. Например, искусственную кожу из мицелия подвергают дублению.
Использовать современные технологии можно не только на благо тяжелой промышленности, освоения космоса и военного обеспечения. Применяя современные технологии в дизайне повседневных вещей, мы можем улучшить экологию, изменить мир вокруг и просто сделать будущее ближе.
Авторы: Артем Оганов, Женя Иванова
Источники: https://postnauka.ru/, https://design-mate.ru/
