Материалы, которые навсегда изменили историю человечества. Материаловед Артем Оганов о самых главных материалах в истории человечества, их влиянии на историю и будущем материаловедения

Как новые материалы меняли жизнь человечества? Какой самый важный материал современности? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Главные материалы, изменившие человеческую историю, — это природный камень, бронза, железо, полимеры и кремний. Первые три материала, которые дали названия целым эпохам развития человечества — каменный век, бронзовый век, железный век, — между собой различаются по твердости и трещиностойкости — ключевым характеристикам, которые позволяют оценить полезность материала для изготовления ножей, топоров, мечей и других предметов.

Камень

Примеры: каменные орудия и орудия, изготовленные при помощи каменных инструментов. 

Самым древним каменным орудиям, известным сегодня, 3,3 млн лет.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.