От удивительных особенностей до необычных сплавов, стекло не такое простое и хрупкое, как кажется. Современные исследования позволяют объяснять древние тайны и создавать передовые технологии, но самое удивительное, что может сделать произведенное в лаборатории стекло – восстановить само себя и даже пережить человеческую цивилизацию.
10. Стеклянные следы пропавшего кратера
Фото: Live Science
Около 800 000 лет назад в Землю врезался огромный метеорит. В ширину глыба достигала 20 км, и после удара в атмосферу поднялись осколки стекла. В результате на площади в 22500 квадратных километров выпал стеклянный дождь. Несмотря на многочисленные следы этого стекла по всей Австралии и Азии, кратер от удара обнаружить не удалось.
В 2018 году в Антарктиде обнаружили больше стеклянных шариков. Толщина каждого из них соответствовала ширине человеческого волоса, и вскоре их идентифицировали как часть обломков таинственного метеорита. Шарики назвали микротектитами, а их химический состав привлек внимание ученых.
Низкое содержание натрия и калия натолкнуло на вывод, что шарики, вероятно, находились на самом дальнем краю неуловимого кратера. Натрий и калий выщелачиваются при воздействии экстремальных температур, а горячие осколки распространяются дальше от места удара.
Когда Антарктические микротектиты сравнили с Австралийскими, выяснилось, что в последних более высокое содержание натрия и калия, и теоретически они располагались немного ближе к кратеру. Следуя этой формуле, переходя от горячего к холодному, исследователи ожидают обнаружить кратер где-то во Вьетнаме. Если это окажется верным, то получится, что Антарктические стеклянные шарики преодолели невероятное расстояние - около 11 000 километров.
9. Шаолиньский трюк с иглой
Шаолиньские монахи славятся своими подвижными боевыми искусствами. Но недавно один мужчина сделал нечто действительно необычное. Фэн Фэй (Feng Fei) бросил иглу сквозь стекло, не разбив его.
Монах швырнул иглу с такой силой, что шар, в который она попала, и который находился с другой стороны стекла, лопнул. Чтобы это стало возможным, игла должна была пробить стекло. Когда этот сверхбыстрый трюк рассматривался в замедленной съемке, то оказалось, что острие иглы в результате броска пробило стекло в одной точке. В другой раз оказалось, что игла прошла сквозь стекло, которое от этого треснуло, разбросав мелкие осколки, вылетевшие с другой стороны. Оба этих трюка невероятны.
Ответ кроется в том, как разбивается стекло на молекулярном уровне. Стекло твердое. Его молекулы связаны в сетку, которая распределяет (и, таким образом, ослабляет) любое оказываемое на него давление. Если Вы нажмете пальцем на стеклянную пластину, она будет целиком противостоять вам. Стекло трескается, когда нарушаются молекулярные связи и давление следует по трещине до ее конца.
Если игла не будет гнуться и будет брошена с достаточной точностью и силой, образуется глубокая трещина. Как только это произойдет, у стекла останется мало сопротивления, чтобы препятствовать дальнейшему прохождению иглы.
8. Стекло хочет быть кристаллом
Фото: Live Science
Ученые не уверены, какой материей является стекло. Стеклянная пластина не является твердой, даже если выглядит таковой. Странно, но иногда стекло ведет себя как жидкость и твердое тело одновременно. Атомы стекла ведут себя так же, как и медленно движущиеся атомы геля, которые никогда никуда не попадают, потому что блокируют путь друг друга.
В 2008 году произошел научный прорыв, когда в центре внимания оказался рисунок, созданный атомами стекла по мере того, как оно остывало. Атомы образовали структуры, называемые икосаэдрами, которые напоминают трехмерные пятиугольники. Поскольку пятиугольники не могут быть выстроены в определенном порядке, атомы стекла казались беспорядочными.
То же самое исследование также показало, что стекло изо всех сил старается быть кристаллом. Но для того, чтобы это произошло, молекулы должны установиться в очень четкую последовательность. Трехмерные пятиугольники не дают этому произойти. Другими словами, стекло является ни твердым, ни жидким, обладает свойствами геля и является чем-то вроде кристалла, страдающего задержкой развития.
7. Радиоактивное доказательство рождения Луны
Фото: phys.org
То, каким образом появилась наша Луна, остается яблоком раздора среди ученых. Стекло, оставшееся после первого атомного взрыва, может служить доказательством теории о том, что Луна возникла в результате столкновения Земли и тела размером с планету, случившегося около 4,5 миллиардов лет назад.
Тринитит (стекло, сформированное в процессе ядерного взрыва), ближайший к зоне взрыва, не содержал летучих элементов, включая цинк. Такие элементы испаряются при сильном нагревании, подобно тому, что происходит при формировании планеты.
До сих пор это была всего лишь теория. Но после того, как взрыв ядерной бомбы «испарил» элементы, у ученых появились первые реальные доказательства. Тринитит и лунный материал достаточно схожи, в них нет воды и летучих элементов, это доказывает, что последние одинаково реагируют на высокие температуры как на Земле, так и в космосе.
6. Взрывающееся стекло принца Руперта
Фото: Live Science
Формой оно похоже на слезы или головастиков. Но капля стекла Руперта объединяет в себе две полярные противоположности, демонстрируя хрупкость волоса и прочность, которая может противостоять молотку.
Когда расплавленное стекло капает в ледяную воду, появляются необычные капли. В 1600-х годах принц Баварии Руперт (Prince Rupert of Bavaria) пытался разгадать их тайну. Когда по головке каплевидной бусины били молотом на наковальне, стекло не разбивалось.
Однако в тот момент, когда отрезали тонкий хвостик, вся капля, включая головку, взрывалась в пыль. Король Карл II (Charles II), дядя Руперта, приказал Королевскому Научному Обществу (Royal Society) разгадать эту тайну, но ученые мужи не нашли ответа.
В 1994 году видео, отснятое и просмотренное на медленной скорости, показало, что в момент, когда отламывали хвост, к головке капли распространялись трещины со скоростью более 6400 километров в час. Кроме того, ученые обнаружили, что за странную прочность капель ответственно охлаждение.
Когда жидкое стекло падает в холодную воду, оно мгновенно охлаждается снаружи. Внутренняя часть отвердевает более медленно, что создает достаточно прочное поверхностное натяжение, чтобы выдержать удар молотка. Однако это же натяжение взрывает каплю изнутри при появлении первой трещины.
5. Стекло как радиоактивное хранилище
Фото: eurekalеrt.org
Одна из главных проблем, связанных с опасными материалами - это хранение отходов, и во всем мире их очень много. Часто, контейнеры протекают и токсические утечки загрязняют землю, источники воды, и даже отравляют людей.
В 2018 году Министерство энергетики США (US Department of Energy) нашло новый способ хранения радиоактивных отходов в виде стекла. На бывшем военном заводе Хэнфорд (Hanford) под землей хранятся резервуары с отходами. Для пробного запуска идеи об отходах, которые не проливаются, исследователи выбрали радиоактивный мусор с низкой активностью.
Жидкие отходы смешивали с ингредиентами, используемыми для изготовления стекла, а затем постепенно плавили. В печь ушло 11 литров отходов, которые спустя 20 часов вышли полностью остекленными. Эта первая попытка была чрезвычайно успешной и позволило безопасно поместить радиоактивный материал в стекло. Полномасштабная программа теперь подразумевает хранение миллионов литров токсичных отходов, размещенных под землей в Хэнфорде.
4. Стекло такое же прочное, как сталь
В 2015 году в Токийском Университете (University of Tokyo) создали новый вид материала-прозрачное стекло, почти такое же прочное, как сталь. Между строк прочитайте об окнах, уцелевших после автомобильных столкновений, или о небьющихся бокалах.
Все, что для этого потребовалось - найти способ смешать глинозем со стеклом. Говоря о прочности, прочность глинозема близка к прочности алмаза. Эту добавку также используют, чтобы сделать краски и пластмассу твердыми.
Многие годы все подобные попытки заканчивались неудачей. Смесь стекла и глинозема выкристаллизовывалась в момент, когда ее переливали в любой контейнер. Новаторское решение подразумевало их смешение в воздухе. Кроме обеспечения прозрачности, 50% добавка глинозема сделало стекло эластичным и твердым как сталь. Целостность сохранялась даже на микроскопическом уровне.
Это открывает дорогу к новым достижениям в разработке телефонов, компьютеров и электроники будущего.
3. Стекло, которое само себя восстанавливает
В 2017 году, японские исследователи анализировали новые клеящие вещества, когда случайно изобрели нечто фантастическое: самовосстанавливающееся стекло. Во время проведения испытаний один ученый заметил, что при надавливании куски стекла срастались. Последующие испытания показали, что материал не был одноразовым чудом.
Магическим элементом был полимер (вещество, состоящее из множества повторяющихся цепочек), который назывался «полиэфир-тиомочевина». При разрезании полимер начинал плавиться, если нажимать на него в течение 30 секунд. Самое приятное то, что это происходило при комнатной температуре. Обычно для плавления материалов нужна высокая температура. Это сделало данное стекло уникальным среди самовосстанавливающихся материалов. Полиэфир-тиомочевина оказался среди них и самым быстровосстанавливающимся.
Несмотря на такую же прочность, как у обычного стекла, новый полимер открывает больше возможностей для применения. Одно из решений появилось тут же - лекарство от раздражающих трещин на экране мобильного телефона. Медицина также в ожидании бонусов, ведь материалы, не образующие осколки, могут помочь с восстановлением внутри человеческого тела.
2. Замена костей стеклом
Фото: BBC
Никому не нравится идея заменить свой прочный скелет стеклом. Как бы жутко это ни звучало, хирурги считают, что это идеальное решение для сломанных костей. Забудьте о стекле из вашей форточки, материал, который вызвал революцию в медицине, называется биостекло. Более прочное, чем кость, биостекло также является гибким и антисептическим.
В 2002 году первый имплантат был внедрен в раздробленную глазницу. Без этой тонкой пластины глаз закатывался в глубь черепа. В этом случае мужчина также стал дальтоником. Ни одна обычная операция не помогла. Под глазное яблоко пациента была установлена пластина из биостекла, и сразу же зрение восстановилось практически полностью, включая восприятие цвета.
Удивительно и то, что биостекло «обманывает» иммунную систему, заставляя ее воспринимать этот материал как часть человеческого тела. Исключающее опасность отторжения, биостекло распространяет ионы, которые борются с инфекцией, и направляет целительные клетки. Последняя версия биостекла, которой еще нет в продаже, более эластичная, но при этом более прочная. Этот материал был создан для того, чтобы на только что сломанных ногах можно было ходить без штифтов или костылей.
Для того, чтобы окончательно преуспеть там, где все остальные терпели неудачу, биостекло разработано таким образом, чтобы воспроизвести процесс самовосстановления, который свойственен хрящевой ткани. В виду того, что биостекло «сливается» с телом и стимулирует возобновление роста, оно может стать настоящим Граалем в хрящевой хирургии.
1. Хранилище данных на миллиарды лет
Фото: Photo credit: theverge.com
Недавно изобретенное запоминающее устройство может пережить человеческую цивилизацию. Стеклянный диск, напоминающий крошечный CD-диск – это новая 5-D концепция, способная сохранять 360 терабайт данных. Это отличная новость для маньяков, стремящихся сохранять как можно больше информации, учитывая, что каждый день добавляет данные, объем которых эквивалентен 10 миллионам Blu-ray дисков во всем мире.
Детище исследователей из Университета Саутгемптона (University of Southampton), каждая стеклянная пластина создается с помощью особой техники, которая называется фемтосекундная лазерная запись. Импульсы сверхбыстрого лазера записывают информацию в три слоя.
Данные не записываются в общепринятом смысле. Вместо слов, массивные архивы информации, такие как библиотеки и музеи могут сохранять свои данные в виде точек. Эти наноструктуры достигают около 5 мкм каждая.
Трехмерное положение каждой точки плюс ее размер и ориентация делает диск 5-мерным устройством. Его можно прочитать только с помощью специального микроскопа со светофильтром. Кроме того, принимая на себя безумное количество информации, диски могут выдерживать температуру в 1000 градусов по Цельсию и, вероятно, храниться около 13,8 миллиардов лет.
