Leidyklos VAGA rekomenduojamoje žymaus mokslininko Marko Miodowniko knygoje „Įstabiosios medžiagos: neįprasti pasakojimai apie tai, iš ko sudarytas mūsų pasaulis“ (2019) gausu neįprastų ir šmaikščių pasakojimų apie mūsų gyvenimą persmelkiančius inžinerijos stebuklus ir mus supančias įvairiausias medžiagas. Knygos autorius, Times įtrauktas į 100-o įtakingiausių Jungtinės Karalystės mokslininkų sąrašą, skaitytojus kviečia visiškai naujai pažvelgti į aplinką.
Leidyklos VAGA projektų vadovės Emos Grigaitytės teigimu, „pastaraisiais metais pastebimas augantis skaitytojų susidomėjimas leidiniais, suteikiančiais vertingų analitinio, tiriamojo pobūdžio žinių apie pasaulį (pvz., Y.N.Harari darbai, E.Kolbert „Šeštasis išnykimas“, P.Wohllebeno „Paslaptingas medžių gyvenimas“ ir kt.) Tai liudija kokybiškos mokslo populiarinimo literatūros poreikį Lietuvoje, tačiau daugeliu aktualių temų jos vis dar trūksta. Siekdami visuomenei pasiūlyti patrauklių ir vertingų skaitinių iš kuo įvairesnių sričių, pradedame knygų seriją „Mokslas iš arti“.
Pirmoji šios mokslo populiarinimo serijos knyga „Įstabiosios medžiagos“, pelniusi prestižinę Karališkosios draugijos Wintono premiją, siūlo gilesnį žvilgsnį į mūsų materialųjį pasaulį. Daugeliui medžiagos, esančios aplink mus, gal ir atrodo kaip įvairiaspalvės materijos dėmės, bet iš tikrųjų jos yra sudėtingos žmogaus reikmių ir troškimų išraiškos.
Ir kad sukurtume šias medžiagas, – kad patenkintume savo reikmes turėti pastogę ir apsirengti, kad įgyvendintume savo troškimus pasmaguriauti šokolado ar nueiti į kiną, – mes turėjome padaryti kai ką labai įstabaus: perprasti sudėtingą vidinę medžiagų struktūrą. Toks pasaulio supratimo būdas vadinamas medžiagotyros mokslu ir jis gyvuoja jau tūkstančius metų. Jis ne mažiau svarbus, ne mažiau žmogiškas nei muzika, dailė, kinas, literatūra ar kiti mokslai, bet mažiau žinomas. Siūlome susipažinti su dešimt M.Miodowniko knygoje pateikiamų įdomių faktų apie įstabias, mus supančias pasaulio medžiagas.
10 įdomių faktų apie įstabias, mus supančias pasaulio medžiagas
1. Nors medžiaga iš pažiūros ar pojūčių gal ir atrodo monolitiška, vienoda, tai tik iliuzija; iš tikrųjų medžiagas sudaro daug skirtingų komponentų, kurių deriniai formuoja visumą, o tie skirtingi komponentai atsiskleidžia įvairiuose lygmenyse. Struktūriškai bet kuri medžiaga yra tartum rusiška lėlė matrioška: sudaryta iš daug viena į kitą įterptų struktūrų, kurios beveik visos mūsų akims nematomos, kiekviena vis mažesnė ir tiksliai telpanti viena į kitą. Būtent tokia hierarchinė architektūra lemia sudėtingas medžiagų savybes, iš kurių jas atpažįstame, be to, lemia ir tai, kokie esame mes patys.
2. Atomas yra viena iš fundamentaliausių tų medžiagų struktūrų, bet ne vienintelė svarbi. Platesniu mastu yra dar dislokacijos, kristalai, skaidulos, atraminiai karkasai („pastoliai“), gelis ir putos. Paimtos atskirai, šios struktūros – tai lyg kokio nors siužeto personažai, kiekviena kuo nors prisideda prie bendro vaizdo. Kartais vienas personažas būna svarbiausias, bet tik visus suvedus draugėn galutinai paaiškėja, kodėl medžiagos elgiasi būtent taip, o ne kitaip. Nerūdijančio plieno šaukštelis beskonis todėl, kad chromo atomai jo kristaluose reaguoja su deguonimi ir suformuoja paviršiuje nematomą apsauginį chromo oksido sluoksnį. Jeigu pakrapštysite jo paviršių, šis apsauginis sluoksnis ataugs greičiau, nei spės susidaryti rūdys. Štai kodėl esame pirma karta, nejaučianti savo stalo įrankių skonio. Tokie molekuliniai paaiškinimai tenkina, bet šiuo atveju nušviečia tik vieną medžiagos aspektą: jos beskoniškumą.
3. Kad iki galo suprastumėte, kodėl nerūdijantis plienas turi tokias savybes, reikia atsižvelgti į visas jį sudarančias struktūras. Kai šitaip pradedate žiūrėti į medžiagas, greitai suprantate, kad visos turi joms bendrą struktūrų rinkinį. (Paimkite paprasčiausią pavyzdį – visos medžiagos sudarytos iš atomų.) Ir netrukus pamatysite, kad metalai turi daug ką bendra su plastikais, o tie savo ruožtu turi daug ką bendra su oda, šokoladu ir kitomis medžiagomis. Kad įsivaizduotume šį ryšį tarp visų medžiagų, mums reikia tos į rusišką matriošką panašios materialios architektūros žemėlapio: ne įprasto žemėlapio, rodančio įvairias vietoves tuo pačiu masteliu, bet žemėlapio, įvairiu masteliu atspindinčio vietovę – vidinę medžiagų erdvę.
4. Atomai maždaug dešimt milijardų kartų mažesni už mus, taigi struktūros, esančios atomų lygmeniu, mūsų akims, aišku, lieka nematomos. Beje, Žemėje natūraliai egzistuoja devyniasdešimt keturi skirtingi atomų tipai, bet aštuoni iš tų elementų sudaro 98,8 procento jos masės: geležis, deguonis, silicis, magnis, siera, nikelis, kalcis ir aliuminis. Kitų, tarp jų ir anglies, yra tik pėdsakai, priskiriami mikroelementams. Mes turime technologiją, kaip iš kai kurių dažnų elementų pasigaminti retai aptinkamus, bet tam reikia branduolinio reaktoriaus, o šis kainuoja dar daugiau pinigų, nei išgauti elementus iš gamtinių telkinių, be to, kaupiasi radioaktyviosios atliekos. Štai kodėl auksas XXI amžiuje vis dar vertingas. Jeigu surinktume krūvon visą kada nors iškastą auksą, jis sutilptų į vieną didelį miesto gyvenamąjį namą.
5. Vis dėlto galiausiai gali būti ne taip ir svarbu, kad technologijose itin vertingi neodimis ar platina yra tokie reti atomų tipai, nes medžiagą apibūdina ne tik atominiai jos komponentai. Kaip jau žinome, dėl skirtumo tarp kieto skaidraus deimanto ir minkšto juodo grafito jų atomai niekuo dėti: abu juos sudaro tas pats grynas elementas – anglis. Būtent keičiant jų atomų išsidėstymo tvarką, kubinę struktūrą transformuojant į heksagonalinius sluoksnius, gaunami esminiai medžiaginių savybių skirtumai. Tos struktūros ne atsitiktinės, – pagal savo įgeidžius mes negalime sukurti jokios struktūros, bet valdomos kvantinės mechanikos dėsnių, kurie atomus traktuoja ne kaip pavienes dalelytes, o kaip daugybės tikimybės bangų išraišką. (Štai kodėl yra prasmės struktūromis vadinti tiek pačius atomus, tiek ir jų sankaupų darinius, kai būna surišti vienas su kitu.)
Žemėje natūraliai egzistuoja devyniasdešimt keturi skirtingi atomų tipai.
6. Kai kurios iš tų kvantinių struktūrų kuria judėti galinčius elektronus, todėl atsiranda elektrai laidi medžiaga. Grafitas turi tokią struktūrą, tad yra elektros laidininkas. Deimante lygiai tokie patys atomai, bet kitokia jų išsidėstymo struktūra neleidžia elektronams taip lengvai judėti kristale, todėl deimantai elektrai nelaidūs. Ir kaip tik dėl to jie skaidrūs. Ši tariama alchemija iliustruoja, kad su labai ribotu atominių komponentų rinkiniu galima kurti pašėlusiai skirtingų savybių medžiagas.
7. Mūsų organizmai daugiausia sudaryti iš anglies, vandenilio, deguonies ir azoto, bet vis tiek dėl šių komponentų molekulinės sistemos subtilių persitvarkymų ir pašlakstymo keliais mineralais, tokiais kaip kalcis ir natris, atsiranda didžiulė įvairovė biomedžiagų: nuo plaukų iki kaulų ar odos. Sunku pervertinti tiek filosofinę, tiek technologinę šio medžiagotyros mokslo teiginio svarbą: norint suprasti materialumą nepakanka žinoti pagrindinę cheminę sudėtį. Galų gale, kaip tik tai ir daro šiuolaikinį pasaulį įmanomą.
8. Taigi, kad pagamintume kokią nors medžiagą, reikia surišti atomus. Jeigu surinksite jų kokį šimtą, turėsite tai, kas vadinama nanostruktūra. „Nano“ reiškia milijardinę dalį, ir šis pasaulis nanomasteliu apibūdina dalykus, apytikriai milijardą kartų mažesnius už mus. Tai makromolekulių lygmuo, kur dešimtys ir šimtai atomų susieina sudaryti didesnių struktūrų. Tarp jų – mūsų organizmo baltymų ir riebalų. Tas pat pasakytina ir apie plastikų esmę sudarančias molekules, tokias kaip celiuliozės nitratas, naudojamas pagaminti celiulioidui, arba ligninas, pašalinamas iš medienos gaminant popierių. Šiame lygmenyje esantys struktūros tarpai sudaro smulkios dispersijos putas, kokios yra aerogelyje. Visos suminėtos struktūros yra įvairių pavidalų, ir joms visoms bendra tai, kad būdingais savo bruožais reiškiasi nanomolekulių lygmenyje ir kad manipuliacijos kaip tik šiame lygmenyje pakeis jų savybes.
9. Žmonės buvo įvaldę nanotechnologijas tūkstančius metų, bet netiesiogiai – naudodamiesi chemija ar metalurgija žaizdre. Kai kalvis daužo metalo strypą, jis keičia metalo kristalų formą, „nukaldamas“ dislokacijas nanolygmenyje – kitaip tariant, garso greičiu perkeldamas atomus iš vienos kristalo pusės į kitą. Žinoma, kaip tai vyksta, mes nematome. Paprasčiausiai matome, kad metalas keičia formą. Štai kodėl suvokiame, kad metalas turi būti monolitiškas ir vientisas luitas: dar visai neseniai perprasti visą sudėtingą kristalų mechaniką mums buvo nepasiekiama.
10. Nūnai nanotechnologijos toks madingas žodis, nes dabar turime mikroskopus ir priemones ir galime tiesiogiai manipuliuoti struktūromis šiame lygmenyje ir šitaip sukurti žymiai didesnį tokių nanostruktūrų rinkinį. Taigi dabar galima sukurti struktūras, kurios rinks šviesą ir išsaugos ją elektros pavidalu, galime sukurti šviesos šaltinius ir net nanodaleles, jaučiančias kvapus. Galimybės atrodo beribės, bet dar įdomiau, kad šiame lygmenyje daugelis struktūrų susirenka savaime. Vadinasi, medžiagos geba pačios susiorganizuoti. Tai galėtų atrodyti kraupu, bet visiškai atitinka fizikos dėsnius. Esminis skirtumas tarp automobilio variklio ir nanovariklio tas, kad pastaruoju atveju šiame lygmenyje viešpataujančios fizinės jėgos, tokios kaip elektrostatinės ir paviršiaus įtempties, daleles sutraukia draugėn, o gravitacinės jėgos yra labai silpnos. Automobilį veikia kur kas stipresnė Žemės gravitacijos jėga, kuri skyrium traukia įvairias variklio dalis. Taigi galima sukonstruoti nanomašinas, kurios pačios susirinktų (ir susitaisytų), veikiamos elektrostatinių ir paviršiaus įtempties jėgų. Daug tokios molekulinės mašinerijos ląstelėse jau egzistuoja, ir kaip tik todėl jos gali savaime susirinkti, kai mums žmogaus lygmeny reikia tokių dalykų kaip raumenys ir klijai.
