Мыс Игольный имеет координаты 34°49′58″ южной широты и 20°00′12″ восточной долготы и служит официальной точкой деления между Атлантическим и Индийским океанами. Если вам доведется плыть мимо него, вдоль сравнительно невнятной, постепенно искривляющейся линии побережья, возможно, вы его даже не заметите – кроме, пожалуй, пирамиды камней, что отмечает точное местоположение южного края света.
Какое из известных веществ самое твердое?
С некоторых пор уже не алмаз.
В 2005 г. ученые из Университета Байройт в Германии, подвергнув чистый углерод воздействию необычайно высоких температур под давлением, создали новый материал. Его назвали «гипералмаз», или «агрегированные наностержни алмаза» (ADNR), и, хотя материал этот невероятно твердый, с виду он больше напоминает асфальт или блестящий черный пудинг.
Давно не секрет, что с помощью давления и тепла можно превратить одну форму чистого углерода (графит) в другую (алмаз). Однако байройтская команда не использовала ни ту ни другую. Они взяли третью форму чистого углерода – фуллерит, также известный как бакминстерфуллерен или «бакиболы». Шестьдесят углеродных атомов образуют молекулу в форме футбольного мяча – или одного из множества геодезических куполов, спроектированных американским архитектором Ричардом Бакминстером Фуллером (1895–1983).
В алмазе атомы углерода организованы в кубики, уложенные в пирамидки; новое же вещество состоит из крошечных сцепленных друг с другом стерженьков. Из-за своих размеров они и получили название «наностержни»: nanos в переводе с греческого означает «карлик». Каждый – в микрон (одна миллионная часть метра) длиной и 20 нанометров (20 миллиардных долей метра) толщиной, что примерно одна пятидесятитысячная часть толщины волоса человека.
Воздействие на фуллерит сверхвысоких температур (2220 °C) и сжатия (в 200 000 раз превышающего нормальное давление атмосферы) создало не только самое твердое, но и самое жесткое и плотное вещество из известных науке.
Плотность материала определяется тем, насколько тесно упакованы молекулы, и измеряется она с помощью рентгеновских лучей. ADNR на 0,3 % плотнее алмаза.
Жесткость – мера сжимаемости, величина силы, которая должна быть приложена равномерно со всех сторон, чтобы материал уменьшился в объеме. Основной единицей жесткости служит паскаль, по имени Блеза Паскаля (1623–1662), французского математика, который помог усовершенствовать барометр – прибор для измерения атмосферного давления. Показатель жесткости ADNR – 491 гигапаскаль (гПа), у алмаза он = 442 гПа, а у железа = 180 гПа. Таким образом, ADNR в три раза труднее сжать, чем железо.
Определить твердость несколько проще: если один материал оставляет царапину на другом, значит, первый тверже второго. В 1812 г. немецкий минералог Фридрих Моос (1773–1839) предложил десятибалльную шкалу относительной твердости минералов – шкалу Мооса. Начинается она с мягчайшего талька (единица по шкале Мооса). Довольно мягок свинец (1,5); ноготь ранжируется в 2,5 (такая же твердость у золота); посередине шкалы – стекло и ножевая сталь (5,5). Простая наждачка (которую делают из корунда) – 9 единиц по шкале Мооса, ну а вершину шкалы, при показателе 10, занимает алмаз. Поскольку ADNR может процарапать алмаз, он, в буквальном смысле, «зашкаливает».
И наконец, еще более неутешительная новость для фанатов алмазов: эти бриллианты не «навсегда». Графит (который, как ни странно, – одно из наиболее мягких веществ, известных науке: он мягок, как тальк) химически намного устойчивее алмаза. На самом деле любой алмаз очень медленно превращается обратно в графит. Правда, процесс этот незаметен. Не стоит опасаться, что в один прекрасный день серьги у вас в ушах обернутся карандашами.
Какое из известных науке веществ самое необычное?
Н2О.
Вода, или оксид водорода, – самое необычное вещество из всех известных современной науке. За исключением, пожалуй, воздуха она же – и самое знакомое. Вода покрывает 70 % площади Земли и составляет 70 % наших с вами мозгов.
Вода – это кислород, связанный с водородом (самым простым и самым распространенным элементом во всей Вселенной) простейшим возможным способом. Любой другой газ в сочетании с водородом дает еще один газ; лишь кислород и водород вместе – жидкость.
И жидкость эта, надо сказать, ведет себя столь отлично от всего остального, что теоретически ее не должно существовать совсем. Известно шестьдесят шесть признаков, по которым вода считается аномалией, и самый своеобразный из них такой: ничто более в природе не встречается одновременно в трех состояниях – газообразном, жидком и твердом. Море, полное айсбергов под облачным небом, может, и выглядит совершенно естественным, но с точки зрения химии это отнюдь не так. Большинство веществ сжимаются при охлаждении – но не вода: когда температура достигает 4 °C, вода расширяется и теряет в плотности. Вот почему лед плавает, а оставленная в морозильнике бутылка с вином взрывается.
Каждая из молекул воды может образовывать связи с четырьмя другими такими же молекулами. Из-за этих межмолекулярных связей воде для перехода из одного состояния в другое требуется много энергии. К примеру, чтобы нагреть воду, энергии требуется в десять раз больше, чем для нагрева железа.
Поскольку вода способна, не нагреваясь, поглощать много тепла, она помогает поддерживать устойчивый климат на нашей планете. Температуры в океанах в три раза стабильнее температур на суше, а благодаря прозрачности воды свет проникает в самые ее глубины, обеспечивая возможность жизни в море. Без воды жизни не было бы вообще. И хотя вы без труда можете опустить в воду руку, сжать ее в три раза труднее, чем сжать алмаз, а удариться на большой скорости о воду – это все равно что влепиться в бетон.
Несмотря на прочность связей между молекулами воды, связи эти, увы, не прочны. Они беспрерывно разрываются и создаются вновь: за секунду каждая из молекул воды сталкивается с другими молекулами воды 10 000 000 000 000 000 раз.
В воде можно растворить так много всего, что ее называют «универсальным растворителем». Если растворить металл в кислоте, можно забыть о нем навсегда. Но если в воде растворить, скажем, гипс, то после выпаривания он так и останется гипсом. Столь удивительная способность растворять вещества, не уничтожая их, делает воду, как это ни парадоксально звучит, самой разрушительной субстанцией на планете. Рано или поздно вода разъедает все – от железной водосточной трубы до Большого каньона.
И она – всюду. На Луне и Марсе есть солидные отложения льда; даже на поверхности Солнца (в более прохладных его участках) обнаружены следы пара. На Земле лишь крошечная часть всей воды находится в атмосфере. Если бы вся атмосферная вода равномерно выпала на землю по всему миру дождевого осадка получилось бы не более 25 мм. Большая часть воды на Земле недоступна для человека: она заперта глубоко в недрах, унесенная туда при перекрытии тектонических плит либо удерживаемая внутри минеральной структуры самих скальных пород.
Если бы скрытая вода прорвалась на поверхность Земли, она еще тридцать раз заполнила бы все наши океаны.
При какой температуре замерзает вода?
Чистая вода при О °С не замерзает – как и вода морская.
Для того чтобы вода замерзла, ей нужно что-то, к чему могли бы прицепиться ее молекулы. Кристаллы льда формируются вокруг «ядер» – например, частичек пыли. Если же таковых нет, можно охладить воду до -42 °C, прежде чем та начнет замерзать.
Охлаждение воды без замораживания известно как «переохлаждение». Делать это нужно не торопясь. Можно, к примеру, поместить бутылку очень чистой воды в морозильник и переохладить ее. Но стоит вам вытащить бутылку наружу и постучать пальцем по стеклу – вода в момент превратится в лед.
Сверхбыстрое охлаждение воды имеет совершенно иной эффект. Минуя стадию льда (обладающую равномерной кристаллической решетчатой структурой), она трансформируется в хаотическое аморфное твердое тело, известное как «стеклообразная вода» (названная так из-за случайного расположения молекул, схожего со структурой стекла). Для получения «стеклообразной воды» температуру необходимо понизить до -137 °C буквально за пару миллисекунд. «Стеклообразную воду» на Земле можно встретить лишь в стенах лабораторий, но во Вселенной как раз эта форма воды встречается наиболее часто – именно из нее состоят кометы.
Из-за высокого содержания солей морская вода регулярно охлаждается ниже О °С без замерзания. Кровь рыб, как правило, замерзает где-то при -0,5 °C, поэтому морских биологов долго ставил в тупик вопрос: как рыбы ухитряются выживать в полярных морях? Оказывается, такие виды, как антарктическая ледяная рыба и сельдь, вырабатывают в поджелудочной железе белки, впитываемые их кровью. Именно белки препятствуют образованию ядер кристаллизации льда (почти как антифриз в радиаторе автомобиля).
