Вся история человеческой цивилизации связана с различными материалами. Действительно, изготавливать простейшие орудия труда могут многие животные, в том числе дельфины, птицы и даже некоторые рыбы, но только человек подходит к этому делу, как говорится, с умом. Он изучает свойства имеющихся материалов, выбирает наилучшие из них, комбинирует, а в последующие эпохи человечество научилось синтезировать новые материалы с уникальными свойствами, которые не встречаются в природе.
И всё же основными материалами, которые повлияли на историю человечества, были природный камень, бронза, железо, полимеры и кремний. Первые три материала из этого списка были известны с глубокой древности и дали название целым большим историческим эпохам – каменный век, бронзовый век, железный век. Некоторые спросят, почему в этом списке не упомянуто дерево, ведь оно тоже сыграло довольно значительную роль в развитии технологий. Однако свойства дерева не настолько существенны, чтобы встать в один ряд даже с природным камнем.
Камень
Камень, пожалуй, был самым первым материалом, который стал известен первобытным людям. Древнейшие найденные каменные орудия имеют возраст более трёх миллионов лет. Это означает, что изготовлением каменных орудий занимались не только представители нашего вида – Человек разумный, но и их более древние родственники и непосредственные предки: неандертальцы, питекантропы и др. Овладение мастерством обработки камня – такое же достижение высших приматов, как и «приручение» огня. С этого времени история высших животных, коими являются люди, никогда уже не была прежней. Ведь теперь появилась возможность не только пассивно использовать то, что даёт природа, но и активно изменять окружающую действительность в собственных интересах.
Пригодные орудия труда можно изготовить не из любого камня. Необходимые виды камня должны быть твёрдыми, иметь острый скол и быть устойчивыми к трещинам. Древние люди изучали свойства камней, которые их окружали, и выбирали наиболее подходящие виды. Каменными орудиями можно было обрабатывать дерево, возделывать землю, использовать их как оружие. Конечно, прочность и трещиностойкость камня были довольно слабыми по сравнению с другими материалами, освоенными позже, но для своего времени овладение камнем было огромным прорывом.
Известно, что уже с глубокой древности человечество нашло несколько наиболее подходящих видов камня. Это были песчаник, кремень, обсидиан. В некоторых древнейших захоронениях был обнаружен даже горный хрусталь. Это доказывает, что уже в доисторическую эпоху люди интересовались минералами и собирали их.
Бронза
Металлы – следующая ступень в развитии человеческих технологий. Прочность и трещиностойкость у металлов существенно выше, чем у камня. К тому же из них можно изготавливать орудия самой разной формы и с разными свойствами. Металлическими орудиями можно было пользоваться долго, в отличие от каменных, которые крошились после нескольких использований. В человеческой культуре появилось множество профессий, связанных с обработкой металла, его литьём, ковкой, гравировкой. Кузнецы и другие мастера по металлу производили всё, в чём нуждался новый человек: более совершенное оружие и доспехи, посуду, орудия труда, украшения, элементы одежды.
Мастера по обработке металла быстро продвигались по «карьерной лестнице» и приобретали даже божественный статус. Одни из самых суровых, мощных и почитаемых богов древности были как раз покровителями кузнечного дела; таков античный Гефест.
Итак, бронзовый век был очередным шагом человеческого развития. Но освоить бронзу было делом совсем не простым. Бронза – это сплав меди с оловом. Медь является довольно распространённым материалом в природе, и сначала человечество научилось добывать и обрабатывать именно её. Однако сама по себе медь мягкая и непрочная, и она больше пригодна для изготовления украшений и мелких предметов быта, чем для создания более серьёзных вещей. Олово же встречается в природе гораздо реже. Однако олово принесло медному сплаву все те характеристики, которых ей не хватало. Главным источником олова в природе является касситерит – минерал, который в древнем мире добывался едва ли не в одном месте на планете – на территории современной Англии. Место это было по тем временам дикое и далёкое от основных тогдашних центров цивилизации.
Тем не менее, трудности оправдывали себя. Появление бронзовых орудий способствовало развитию торговли, культурному обмену между разными народами. Бронзовые изделия экспортировались в те места, где обработки металла ещё не знали. Племена и народы, владеющие технологиями выплавки и обработки бронзы, у более отсталых народов приобретали репутацию всесильных магов, с которыми лучше не враждовать.
Железо
Железо – ещё одна ступень в человеческом развитии. Железо изначально ассоциировалось с войной, насилием, а также с твёрдым и непреклонным характером. Железные орудия более прочные и тяжёлые, чем бронзовые, они ещё больше устойчивы к трещинам. Поэтому железные орудия постепенно вытеснили бронзовые. Лучше всего из железа получалось, конечно же, смертоносное оружие.
Преимущество железа было ещё и в том, что оно очень высоко распространено в природе. Однако у него и его сплавов был существенный недостаток: они ржавели со временем. Бороться с этой напастью люди пытались на протяжении всей своей истории, но даже сегодня не существует единого универсального рецепта преодоления ржавчины.
Когда наступила эпоха пара, а затем и электричества, железо не переставало играть ключевую роль. В это время распространились такие важные сплавы на основе железа, как сталь и чугун. Оказалось, что свойства сталей можно очень сильно менять, добавляя даже небольшое количество тех или иных компонентов и изменяя процессы изготовления сплавов. С тех пор появилось огромное количество различных сталей, которые предназначены для разных отраслей человеческой деятельности.
Известны и легендарные виды железных сплавов; к ним относятся булат и дамасская сталь. Булат впоследствии удалось воспроизвести, а вот точный состав дамасской стали сегодня является загадкой: в восемнадцатом веке рецепт её приготовления был утрачен.
Полимеры
Пластик, полиэтилен, резина, кевлар… Без этих и многих других подобных материалов современное человечество, как кажется, вообще не способно существовать. Эра полимеров началась в двадцатые годы ХХ века, когда учёные впервые синтезировали такие материалы. Синтез полимеров оказался довольно сложной задачей, но в начале двадцатого столетия она была решена. Полимеры играют ключевую роль в нашей жизни и сейчас. Надо сказать, что полимеры – это не только искусственные материалы, производимые в лабораториях и на специальных предприятиях: среди природных веществ также встречается немало полимеров, часть из которых входит в состав и человеческого организма.
Полимеры уникальны и сочетают в себе много разных свойств, порой даже противоположных. С одной стороны, связи между атомами в полимерах очень прочные – это одни из самых сильных связей в природе. С другой стороны, цепочки связанных таким образом элементов обладают гибкостью, которая может реализовываться по-разному. К примеру, в обычном полиэтиленовом пакете цепочки элементов беспорядочно спутаны в клубок, вследствие чего получается структура гибкая, но не особо прочная. Но существует и так называемый высокомолекулярный полиэтилен, в которых цепочки не спутаны между собой, а уложены параллельно друг другу и образуют строго упорядоченную структуру, благодаря чему получается материал очень высокой прочности. Такой полиэтилен можно использовать, к примеру, в бронежилетах. В наше время в бронежилетах применяется другой подобный полимер – кевлар.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен, как оказалось, обладает и ещё одним полезным свойством – очень высокой теплопроводностью. По этому показателю он конкурирует с металлами. В обозримом будущем очень лёгкий сверхвысокомолекулярный полиэтилен и в самом деле частично заменит металл.
Кремний
Этот элемент – основа основ всей современной электроники. Первым прибором, построенным на основе кремния, был транзистор; впоследствии на его основе были созданы микросхемы и процессоры, а они, в свою очередь, легли в основу компьютеров, мобильных телефонов и другой техники.
Интересно, что в первых транзисторах вместо кремния использовался германий. Однако этот материал был не особо подходящим для данной цели: германий довольно редкий и дорогой, также он очень чувствителен к поверхностному окислению. Многие транзисторы, произведённые из германия, оказались нерабочими, и специалистам пришлось долго разбираться, почему так происходит: какие-то транзисторы работают, а другие, абсолютно идентичные по устройству, не работают. Вскоре исследователи упростили задачу и ввели в транзистор вместо германия кремний – элемент значительно более податливый, распространённый и дешёвый.
Сегодня без кремниевой электроники мы не можем обойтись точно так же, как не можем жить без полимеров. Возможно, в будущем появится техника, основанная на совсем других принципах, но сегодня кремний уходить со сцены не собирается. Квантовые и оптические компьютеры пока что остаются по большей части фантастикой, изготовить такие устройства гораздо сложнее, чем просто говорить о них.
Необходимо напомнить, что кремний сам по себе является загадочным элементом. Он очень похож на углерод и является его «близким родственником», даже занимает соседнюю ячейку таблицы Менделеева. Поэтому если в космосе существуют какие-либо небелковые (неуглеродные) формы жизни, то с большей вероятностью они будут основаны на кремнии. Это справедливо и по той причине, что наша земная жизнь тоже частично является кремниевой: кремний в довольно больших количествах входит в состав организма животных и растений: это защитные клетки на листьях (например, у крапивы), внешние скелеты (раковины) многих бактерий, входит он и в наружные и внутренние скелеты животных. Так что даже если вдруг привычные нам компьютеры будут заменены на оптические, кремний всё равно будет ещё долго владеть умами людей.
Гарантия
Сервис
Подбор
Госзакупки
