IT-байки: про замороженный дым
Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, почему Господь позволил роду людскому "плодиться и размножаться" до столь впечатляющего количества – шести миллиардов? Разумеется, Божий Промысел вполне может быть неподвластен человеческому разумению по простой причине – невозможности вместить столь масштабные и многоплановые категории в разум человека, и нам остаётся лишь фиксировать случившееся без надежды предугадать хоть что-нибудь масштабное. Но ведь думать о таких возможностях никто не запретит, верно?
Для агностиков попробую переформулировать свой тезис по-другому. Скажем так: никто не будет спорить, что в XIX веке гениев было меньше чем в веке XX, а сейчас, в веке XXI, их должно быть ещё больше, хотя бы по одной единственной причине – демографической. Хотя, дополнительных факторов тоже предостаточно, например, то же всеобщее среднее образование и доступность образования высшего (с оговорками) нынче с большой вероятностью гарантируют то, что новоявленные Ломоносовы хотя бы не пропадут и не заблудятся по дороге в научные метрополии из своего провинциального захолустья, да и захолустье в век глобальной интернетизации становится понятием всё более расплывчатым. Разумеется, есть события, которые случаются только один единственный раз в жизни человечества, Первое Пришествие и Гений Моцарта уникальны и неповторимы. И всё же, зачем шесть миллиардов? Ну, действительно, уже давным-давно не ради сохранения вида. Тогда зачем?
Сегодня я не буду лишний раз копаться в избитой шутке про "финальную цель совершенствования цивилизации - рюмку коньяка с долькой лимона". И даже не собираюсь обыгрывать известный афоризм Альберта Эйнштейна - "Бесконечны только две вещи: вселенная и человеческая глупость. Правда, насчет вселенной я не вполне уверен!" (хотя, именно на просторах Интернета это правдиво как нигде более). Как неисправимый оптимист всё же предположу, что столь многократное "дублирование человеческих ресурсов" задумано (или, если вам удобнее, саморегулируется) ради наиболее важной функции – дальнейшего выживания всего человечества, так любящего разрушать всё вокруг себя.
Может быть, я говорю банальные вещи, но будущее людей, по моему мнению, критически зависит именно от изучения и прикладного использования всё новых и новых свойств окружающего мира, до некоторых пор скрытых от познания человеком ради его же благополучия. Спору нет, если закон Ома не был бы открыт Омом, его всё равно открыли бы позже (под другим :-) названием). Однако в наше время, когда, с одной стороны, фронтир открытий уходит всё дальше в микро- и наномир, а с другой стороны, остальные 99% процентов землян предпочитают развлекаться и ни бельмеса в этом не смыслят, вполне может быть, что шесть миллиардов, может статься – вполне обоснованное число для того, чтобы открытия, использование которых в перспективе может стать единственным условием выживания цивилизации, всё же совершались, и, по возможности, не случайным образом.
Фуфф, видимо, стоит извиниться за столь длинное и замысловатое вступление. Для тех, кто понял основную суть моей думки, моего беспокойства за будущее человечества, добавлю, что, по моему разумению, любое открытие нынче может стать грядущей панацеей выживания цивилизации, поскольку никто не может предугадать, какой именно будет фатальная угроза будущего – глобальное потепление или нашествие враждебных галактических летающих мозгов.
Для тех, кто не понял сути или не посчитал нужным вникать в мои псевдофилософские мыслеизлияния, скажу проще. Сегодня я хотел бы рассказать вам об одном из направлений научных открытий, которые очень интересны в плане перспектив использования в будущем. А может быть, и выживания человеческой цивилизации, как знать.
Вещества группы аэрогелей, которые ради красного словца порой называют "твёрдый газ", "голубой дым" или "замороженный дым", известны достаточно давно. История открытия аэрогелей, представляющих собой разновидность гелей, где жидкая фаза полностью замещена газообразной, весьма курьёзна. В 1931 году американский химик Стивен Кистлер (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific), Калифорния, поспорил с коллегой Чарльзом Лернедом (Charles Learned), что сможет заменить всю жидкость в желе на газ без малейшей усадки объёма вещества.
Так на свет явился первый образец "замороженного дыма" – полупрозрачного аэрогеля со сверхнизкой плотностью, на ощупь напоминающего пенополистирол.
Вероятно, самая близкая аналогия аэрогелям, которую образно несложно представить каждому – это пенопласт. Или поролон. Только в случае аэрогелей древовидная структура вещества – этакие "перегородки", состоят из наночастиц размером 2-5 нм, а полые поры имеют размер менее 100 нм, при этом газом заполнено от 50% до 99% объёма вещества.
Аэрогель. Он же - замороженный дым, "твёрдый газ"
Таким образом, хотя аэрогель классифицируется как твёрдое вещество, до 99% его субстанции – это ни что иное как газ. Однако, по словам учёных, в силу наноразмеров внутренней структуры подобных веществ – пор и "перегородок", одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.
Типичный способ производства аэрогеля - извлечение жидкой фазы геля путём закритический сушки, то есть, высушивание при температуре и давлении, превышающих критические для данного вещества. Таким образом удаётся медленно отвести жидкость, не нарушая при этом матричную структуру твёрдой фазы, без коллапса капилляров, как это происходит в случае обычного испарения.
Первым аэрогелем, полученным в лаборатории Кистлера, стал наш добрый знакомый силикагель (silica gel, гель кремниевой кислоты), который нынче повсеместно используется в качестве вещества для эффективного поглощения влаги. Несколько позднее Кистлер открыл аэрогели на основе окиси алюминия, алюмохромовые и окиси олова.
Первоначально производство "голубого дыма" было достаточно дорогим, к тому же сами аэрогели ввиду несовершенства технологии получались достаточно хрупкими. Со временем процесс пошёл по нарастающей: бакелит – 1930-е, углеродные волокна – 1980-е. Наиболее любопытные аэрогели - кремнийорганические, или силиконовые (на основе углерода), были открыты в начале 1990 годов. О них, кстати, в основном сегодня речь.
Уникальные свойства "замороженного дыма" – отличная прозрачность, очень низкая плотность в сочетании с приличной твёрдостью и потрясающей жаропрочностью, рано или поздно должны были заинтересовать NASA. В результате этого на свет появилась дочерняя компания NASA - Aspen Aerogel, продукция которой уже побывала в космосе. Например, именно аэрогелем были заполнены ловушки, которыми брали пробу кометного вещества на комете Вайлд-2 (Wild-2) в процессе вояжа американского межпланетного зонда Stardust, запущенного NASA в феврале 1999 года.
Ловушка для кометного вещества зонда Stardust (NASA)
Частицы кометного вещества в ловушке зонда Stardust (NASA)
Более того, в 2002 году компания Aspen Aerogel сообщила о разработке нового, более прочного и в то же время более гибкого аэрогеля, который сейчас используется в качестве изоляционного материала для скафандров экспедиции на Марс, запланированной на 2018 год. По мнению Марка Краевски (Mark Krajewski), ведущего научного сотрудника Aspen Aerogel, 18 мм слой аэрогеля способен полностью защитить астронавтов от низких температур до -130°C.
Ладно, космос космосом, но на земле для "замороженного дыма" найдутся сотни способов применения, где он оказывается вовсе вне конкуренции. Только представьте универсальный материал с удивительно низкой плотностью - порядка 1 - 150 кг/м3!
2,5 кг кирпич, поддерживаемый 2-граммовой пластиной аэрогеля (NASA)
По словам одного из разработчиков новых видов аэрогелей, Меркури Казанзидиса (Mercouri Kanatzidis), профессора химии из Северозападного Университета (Northwestern University) в Эванстоне, Иллинойс, уникальные свойства современных образцов "замороженного дыма" могут быть использованы где угодно – от фильтрации загрязненной воды и защиты от высоких температур до ювелирной промышленности.
Спички на пластине аэрогеля и газовая горелка
Цветок на пластине аэрогеля и газовая горелка
Впрочем, очистка воды, ювелиры – это всё мирные приложения. Даже стекло из "замороженного дыма" - airglass, придуманное в Швеции. Но экспериментами с новыми видами аэрогелей, разумеется, в обязательном порядке заинтересовались военные.
Стекло из "замороженного дыма" - Airglass, придуманное в Швеции
Так вот, выяснились просто потрясающие возможности аэрогелей: металлическая пластина, покрытая всего лишь 6 мм слоем аэрогеля, оказалась целёхонькой при взрыве килограмма динамита в непосредственной близости от этой пластины! Более того, пластина также не претерпела каких-либо изменений при нагревании слоя аэрогеля паяльной лампой с температурой пламени более 1300°C! Разумеется, танк от прямого попадания приличной ракеты эти 6 см не спасут, да и от пули костюмчик с такой прокладкой вряд ли будет панацеей, но, во-первых, разработки новых типов аэрогелей продолжаются, а во-вторых, для некоторых прикладных случаев будут хороши даже такие материалы.
Кстати, про очистку воды: в лаборатории выше упомянутого профессора Канатзидиса уже получили образец аэрогеля, способный очищать воду от свинца и ртути. Не менее перспективными видятся варианты использования других разработок лаборатории Канатзидиса, разработанных для очистки морской воды от разливов нефти. Проблема с регулярно случающимися в мире экологическими катастрофами, когда на поверхности разливаются десятки тонн нефти, отнюдь не высосана из пальца, об этом достаточно часто нам вещает телеящик.
Последнее время использованием аэрогелей очень активно интересуются производители спортивного инвентаря: так, компания Dunlop уже разработала несколько новых типов ракеток для тенниса и сквоша, где аэрогель применяется для усиления конструкции.
Альпинисты также активно интересуются обувью и спальными мешками с термопрокладками из аэрогеля. А вот модникам пока не повезло: компания Hugo Boss, разработавшая линию зимних курток с прокладкой из аэрогеля, была вынуждена отказаться от такой идеи – слишком жарко.
Итак, ещё один перспективный вид наноматериалов. Помните, в предыдущих IT-байках - Левитация? Запросто, особенно в наномире я рассказывал вам об удивительных метаматериалах, способных на левитацию, правда, пока в масштабах наномира? Был там такой занятный пример: в качестве варианта практического применения левитационных свойств метаматериалов учёные уже фантазируют о новом виде воздушных подушек безопасности для автомобилей. Я так подозреваю, что пока они научат левитировать что-нибудь более-менее габаритное, в подушках безопасности уже вовсю будут использовать другие наноматериалы – какой-нибудь особый тип "замороженного дыма".
А в целом всё это не только поучительно, но и печально. Одни учёные и инженеры тратят все свои силы и таланты на разработку новых видов оружия, новых изощрённых видов убийства, со страшной силой приближая тем самым Армагеддон. Другие с не меньшим упорством разрабатывают "противоядие против Армагеддона", плюс, в качестве побочного продукта, попутно решают десятки и сотни других бытовых проблем человечества. Мы, конечно, оптимисты, и будем надеяться, что не свалится нам на голову какой-нибудь очередной хайгитлер, но, Господи, какие же всё это хрупко…
Для того, чтобы не заканчивать мой сегодняшний рассказ на этакой минорной ноте – напоследок капельку позитива. Уже известно, что в лабораториях разработано несколько версий аэрогелей с использованием в их структуре платины. Платина, как известно – один из лучших катализаторов, и такие виды "твёрдого дыма", по предварительным данным, способны значительно ускорить процесс расщепления, например, метанола, для производства столь популярного нынче водородного топлива.
Таким образом, окончание нашей сегодняшней темы плавным образом перетекает в начало одной из следующих. Да, именно так: в один из ближайших выходных мы поговорим с вами о будущем наших аккумуляторов для всего на свете – от ноутбуков и мобильников до автомобилей. Надеюсь, ни у кого нет сомнения, что будущее - за топливными элементами и двигателями на альтернативном топливе. Причина, по которой приход этого будущего постоянно "подтормаживает", и является темой одной из будущих IT-баек. Удачи вам!
При написании статьи были использованы материалы следующих источников:
