Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

Оптические волокна способны передавать большее количество данных, быстрее и дальше, чем медные провода. Волокно делается из стекла и стоит очень дешево, но лазеры, используемые для генерирования световых сигналов, передаваемых по волокну, довольно дороги. Поэтому вдоль оптоволоконной линии равномерно устанавливаются световые усилители, а на принимающем конце – световые декодеры. Эти компоненты не допускают массового производства, да и сама система связи не может собираться на конвейере. В результате кремниевые световоды – дорогостоящая альтернатива медным проводам. Использование оптических волокон обычно ограничивалось «информационными хайвэями», связывающими страны и континенты. По ним ежесекундно передаются десятки терабайт данных (приблизительно в 100 раз больше, чем хранится на жестком диске вашего компьютера). Каждая такая линия может стоить сотни миллионов долларов.

Паничча уверен: скоро все должно измениться. Крошечное устройство «кремниевой фотоники», которое он передал мне, вскоре сможет сделать использование высокоэффективных оптических волокон доступным в самых разных местах – от крупных хранилищ данных до персональных компьютеров [90]. Как и в случае изобретения Джеком Килби и Робертом Нойсом интегральных микросхем, для достижения этой цели предполагается использовать оборудование, почти полностью изготовленное из кремния. Это позволит обеспечить недорогое массовое производство оптических коммуникационных систем на основе кремниевой технологии, известной уже более 50 лет. Устройство, которое показал мне Паничча, способно передавать ежесекундно 50 гигабайт, что вполне достаточно для загрузки целого фильма менее чем за секунду. Сейчас его команда работает над созданием устройства, способного передавать один терабайт данных в секунду, что позволит загрузить всю печатную информацию, хранящуюся в Библиотеке Конгресса, приблизительно за 90 секунд.

Эти устройства кремниевой фотоники – последние дополнения к сложной инфраструктуре, обеспечивающей удовлетворение наших вычислительных и коммуникационных потребностей. Они используют взаимодействие кремния со светом и электронами, чтобы получить высокоскоростной канал коммуникаций, который может создаваться недорогим методом массового производства. Кремний снова предложил, как себя применять. Это технология завтрашнего дня. А что будет послезавтра? На горизонте появилась одна особенно привлекательная возможность, и она вновь исходит от углерода.

Новое обращение к углероду: графен

Новое вещество, с виду мелкоячеистая проволочная сетка, имеет потенциал, чтобы стать чудесным материалом XXI в., способным изменить мир в большей степени, чем кремний. Однако история его получения и применения – рассказ не о группе талантливых предпринимателей из солнечной Калифорнии, а об использовании карандаша и липкой ленты в одной из исследовательских лабораторий на севере Англии. В начале нынешнего тысячелетия выходцы из России профессор Андрей Гейм и его студент Константин Новоселов работали в Университете Манчестера, где занимались исследованием нового типа транзистора, изготовленного не из полупроводника наподобие кремния, а из проводникового материала. Они надеялись создать устройство меньших размеров, более быстродействующее и энергосберегающее по сравнению с любыми другими. Гейм и Новоселов начали эксперименты с графитом, состоящим из тонких слоев атомов углерода, расположенных друг над другом. Он используется для изготовления грифелей карандашей. Когда вы пишете карандашом, то оказываете давление на кончик грифеля, и тонкие углеродные слои графита ложатся на бумагу, образуя буквы и слова.

В течение многих лет ученые исследовали необычные свойства структур, состоящих из чистого углерода. Способность углерода создавать связи с самим собой позволяет получать разнообразные типы углеродных молекул, включая также длинные цепочки и кольца, образующие основу углеводородных видов топлива. В 1985 г. команда исследователей под руководством Гарри Крото из Университета Райса в Хьюстоне создала напоминающую футбольный мяч клетку из шестидесяти атомов углерода, названную Buckminsterfullerene [91]. Несколько лет спустя полые цилиндрические углеродные нанотрубки стали «чудесным материалом» 1990-х гг. Ученых заинтересовало, нельзя ли изготовить из атомов углерода тонкий лист. Большинство думало, что он окажется непрочным и сморщится, когда толщина составит всего один атом.

Однако в процессе исследования свойств тонких слоев графита Гейм и его студент сделали удивительное открытие. Используя обычную липкую ленту для снятия чешуек с куска графита, они смогли получать все более и более тонкие листы, снижая их толщину всего до нескольких атомов. В конце концов, взглянув в микроскоп, они увидели, что добились того, что многие считали невозможным: получился листа углерода толщиной всего в один атом – графен. Гейм и Новоселов начали исследовать свойства нового материала, и череда сюрпризов продолжилась. Оказалось, что это самый прочный материал в мире, в 300 раз прочнее стали [92]. Согласно расчету, требуется поместить слона на вертикально поставленный карандаш, чтобы проломить несколько слоев графена общей толщиной, как у клейкой ленты. Графен сочетает прочность с высокой эластичностью и электропроводностью. Он может оказаться лучшим в мире проводником тепла и электричества, превзойдя медь и серебро, и иметь практически нулевое сопротивление при комнатной температуре [93]. Но самое главное, что он самый прозрачный из всех существующих материалов. «Это было очень необычно, – говорит Новоселов. – Каждый раз, работая с графеном, мы обнаруживали что-то новое и интересное: его оптические, электрические и механические свойства уникальны» [94].

Первые результаты исследований опубликованы в 2004 г., и в дальнейшем работа ученых продолжала вызывать огромный научный и коммерческий интерес [95]. В 2010 г., всего шесть лет спустя, Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике. При объявлении имен лауреатов представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Углерод, основа всей жизни на земле, удивил нас еще раз» [96]. Углерод – самое многообразное из всех химических веществ. Как ископаемое топливо он способствовал развитию цивилизации, предоставляя энергию для производства, торговли и коммуникаций; в виде двуокиси углерода может изменить наш мир снова, оказывая постоянное воздействие на климат и образ жизни; в виде графена может кардинально изменить многие товары, которые делают нашу жизнь комфортнее. Его прозрачность и проводимость могут использоваться в солнечных батареях и сенсорных панелях; прочность и гибкость – для корпусов морских судов и космических кораблей; полупроницаемость – в антибактериальных бинтах и фильтрах для воды [97]. Литий-ионный аккумулятор с анодом из графена может иметь зарядную емкость в десять раз больше и заряжаться во много раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Такие устройства, как телефоны, где используются графеновые транзисторы, могут быть сделаны настолько тонкими, что их можно будет скатать в трубочку и заложить за ухо.

Графен действительно обладает огромным потенциалом, но достоинства многих недавно открытых материалов часто преувеличивались [98]. Я хорошо помню технологический оптимизм 1950-х гг. И в научно-популярных журналах, и в комиксах рисовали будущее, в котором уран удовлетворит все энергетические потребности, обогреет дома, станет автомобильным топливом и даже позволит регулировать климат на планете с помощью щелчка тумблера. Титан, более прочный, легкий и антикоррозионный, чем сталь, должен был стать такой же неотъемлемой частью современной жизни, как и железо. Даже родственный графену материал, Buckminsterfullerene, пока мало где применяется, а углеродные нанотрубки не оказали значительного влияния на промышленность.

Графен подтвердил свой потенциал в лабораторных условиях. Окажется ли он основой революции в производстве новых товаров – вопрос экономики и производства, а не науки; коммерциализация новых материалов обычно требует больших затрат времени, сил и денег. Скорее всего, свое первое коммерческое применение он найдет в пленочных сенсорных экранах и «электронной бумаге», но самых больших чудес, вероятно, придется подождать несколько десятилетий, если они вообще случатся [99]. И все же графен – отличный пример того, как химические элементы, исследованные любознательными людьми и получившие практическое применение благодаря людям изобретательным, снова и снова могут удивлять нас, раскрывая новые качества и возможности, продолжающие преобразовывать мир.

Власть, прогресс и разрушение

Я подозреваю, что люди любого возраста в любой стране полагают, что их время в истории человечества бежит быстрее, чем у предыдущих поколений. Возможно, они правы. Сегодня практически всё – от научных открытий до роста населения, – по-видимому, происходит быстрее. Решения принимаются мгновенно и передаются более широкой аудитории, а их влияние ощущается в невиданных масштабах. То, что мы делаем сегодня, сильнее влияет на человечество, чем то, что сделано вчера. Наши сегодняшние способы использования химических веществ – основа того, что будет делаться завтра. Еще в XVI в. Агрикола предупреждал: «Хорошие люди используют их во благо, и тогда они полезны. Дурные же используют их плохо, и тогда они вредны» [1]. Интересно, как бы выглядел его практичный и реалистичный совет сегодня.