Тайны углерода: как используют главный "строительный материал" природы

Углерод – один из самых распространенных элементов на Земле. Ученые посчитали, что на нашей планете два миллиарда гигатонн углерода, и большая его часть находится в недрах. Углерод – это белки, жиры, углеводы и вообще вся органическая химия. Почему именно он стал главным "строительным материалом" в природе? И правда ли, что Эйфелева башня сделана из русской стали? Об этом рассказали эксперты программы "Как устроен мир" с Тимофеем Баженовым на РЕН ТВ.

Молекулярные связи и ядерный распад

Углерод – аллотропный элемент, образующий множество простых веществ. Это одни и те же атомы, но по-разному соединенные в молекулы. От деталей подобной "конструкции" зависят свойства углерода.

"Атом углерода – комбинация маленького радиуса, прочных связей молекулярных форм и возможности образовать большое количество полимерных цепочек. Вселенная неспроста выбрала его в качестве основы жизни", – говорит физик Антон Рыженков.

Углерод – это и уголь, и графит, и алмаз. Графитовые стержни встречаются не только в производстве карандашей, но и на атомных станциях. С их помощью удается регулировать активность ядерного распада.

Алмазный фонд

Сокровища Алмазного фонда с точки зрения химии - тоже всего лишь углерод. В их числе – "Александр Пушкин", один из крупнейших алмазов, добытых на территории России. Камень был найден в 1989 году в Якутии. Сначала его хотели назвать "Нерушимый Советский Союз", однако вовремя заметили трещину. Скипетр Российской империи украшает алмаз "Орлов". Другой крупный алмаз – "Шах" - был обнаружен в Индии и подарен царю Николаю I.

Алмазные сверла считаются самыми прочными. Их используют в стоматологии, на горных работах и в строительстве. Впервые удивительный инструмент применили в XIX веке при бурении тоннеля в Альпах.

"По твердости ни один сплав пока что не превосходит алмаз, но есть сплавы, которые приближаются. По шкале Роквелла, например, алмаз принят за эталон – это 100. Есть сплавы, которые имеют твердость до 90. Металл тверже алмаза науке пока не известен", – утверждает литейщик Николай Спирин.

Уголь, сталь и чугун

Уголь используют в дорожном строительстве, химической промышленности и металлургии. Хрупкий уголь делает железо прочным, а из сплава железа с углеродом получается сталь и чугун. В зависимости от доли углерода меняются свойства стали. Содержание низкое – сталь пластичная, ее легко обрабатывать и деформировать. С увеличением количества углерода возрастает прочность и уменьшается пластичность стали.

"Все сплавы с содержанием менее 2,14 процента углерода – стали. Все, что выше, – чугуны. Чугун в силу высокого содержания цементита и включения углерода не поддается давлению, его нельзя прокатывать, гнуть. Единственный способ изготовления изделия – литье. До некоторых пор свариваемость тоже считалась нулевой, но появились технологии, которые позволяют сваривать чугун", – рассказывает Николай Спирин.

Появление стали позволило людям создавать поистине уникальные архитектурные конструкции.

Эйфелева башня и уральский Париж

Эйфелева башня стала символом победы над традиционными материалами. По одной из версий, парижскую вышку построили из уральского металла, хотя сами французы это отрицают.

"Российская империя могла осуществлять поставки стали в достаточном для такого сооружения количестве. У нас уже работали металлургические комбинаты. Они открылись в конце XVIII века", – делится литейщик.

Кстати, на Урале есть свой Париж. Это село, получившее название в честь победы русской армии над Наполеоном. В уральском Париже есть и своя Эйфелева башня, которую поставили местные металлурги.

Дамасские клинки и булат

Для производства дамасского клинка используют многократную перековку нескольких кусков стали с разным содержанием углерода.

"Дамасская сталь – это кузнечная сварка. Там не используется литье, только горн и ковка. Металл спекается в пакете, складывается, перековывается много раз, и получается "слоеный пирог", который мы знаем как "дамаск", – поясняет Николай Спирин.

Речь идет о композитном материале. Называть эту сталь "дамасской" не совсем правильно, ее делали в Иране и в Индии. По одной из версий, в Дамаске был оружейный рынок, где клинки просто продавали, по другой – название произошло от способа производства. "Дамаск" можно перевести на русский язык как "поливаемый водой".

Горный инженер Павел Аносов в XIX веке не только восстановил секрет производства дамасской стали, но и превзошел его по качеству, создав булат.

"В булатной стали используются литые заготовки, в этом ключевое отличие. При производстве дамасской стали металл не плавят, а при производстве булатной его нужно расплавить. Требуются гораздо более высокие температуры, поэтому булатная сталь дороже", – комментирует специалист.

Материалы будущего

Поговаривают, что "металлический век" скоро закончится. Металл уступит место новым материалам, созданным на основе углерода.

"Сопла ракет нужно делать из керамики. Вообще все девайсы должны быть из керамики. Если мы сделаем из нее двигатель внутреннего сгорания в автомобиле, не нужно будет использовать никаких смазочных материалов. Все будет скользить – одно по другому", – отмечает кандидат биологических наук Александр Вечер.

Появился новый материал – графен. С его помощью можно сделать, например, сверхлегкий бронежилет. Если пуля попадет в такой бронежилет, материал станет твердым, как алмаз, а затем вернет прежнюю мягкость.

"Графен – это просто один слой, снятый с графита", – уточняет Александр Вечер.

Фуллерен для здоровья

Другим перспективным современным материалом считаются фуллерены – выпуклые и замкнутые молекулы углерода. Биологи провели эксперимент и подмешали мышам в еду фуллерены, растворенные в масле. Продолжительность жизни грызунов увеличилась вдвое, мышиный организм стал более устойчивым к токсинам. Это позволило специалистам предположить, что фуллерены представляют собой антиоксиданты. Если теория подтвердится, на основе фуллеренов можно будет создать лекарство, замедляющее старение.

Челябинский метеорит

Ранее в Челябинском метеорите нашли новую, до сих пор неизвестную форму углерода. Это кристалл, но по строению он отличается от привычного землянам алмаза. Пока ученые не знают, где именно образовалась странная форма: в далеком космосе или в плотных слоях земной атмосферы под действием давления и высоких температур. Ясно одно: даже такой вдоль и поперек изученный элемент, как углерод, еще может удивить человечество.

Еще больше о том, как устроен этот мир, самые интересные факты и истории смотрите в выпуске программы "Как устроен мир" с Тимофеем Баженовым. Новые выпуски смотрите на РЕН ТВ.