Тони Старк взял на вооружение «волшебный пуленепробиваемый материал».
Графен — это замечательный материал, представленный слоем углерода толщиной всего в один атом. Благодаря своим свойствам, графен регулярно становится предметом научных статей. Тем не менее в прошлом месяце появилось несколько интересных публикаций в совершенно разных изданиях, которые сделали ставку на одну из важнейших механических особенностей графена. В Science появилась статья ученых и инженеров Университета Райса и Университета Массачусетс-Амхерст, которые описали результаты обстрела графена микропулями. И в комиксе Marvel ‘Superior Ironman ’ кто-то выстрелил Тони Старку в лицо.
В последних приключениях бронированного Мстителя личность Тони Старка претерпела серьезные изменения личности, благодаря Алой Ведьме и Доктору Думу: вернулась к эгоцентричной надменности, которой Старк мог похвастать еще до того, как был захвачен террористами и создал свой первый железный костюм из мусора. Эта история появилась еще в 1963 году, но большей части мира известна как основа фильма «Железный человек» 2008 года. Что же случилось с Железным Человеком теперь?
Вместо привычного красно-золотого костюма он надел блестящие белые доспехи, которые выглядят купленными где-то в магазине Apple во вселенной Marvel (iRon Man?). Что примечательно, новый костюм Железного Человека не имеет лицевой панели, чтобы публика могла видеть прекрасные черты лица Тони Старка. Но тщеславие идет рука об руку с риском — и ясное дело, что потенциальный убийца, доведенный Тони Старком до отчаяния, выхватывает пистолет и стреляет инженеру-плейбою в лицо в упор.
К счастью для Старка (и для нас, фанатов, которые верят в героя Тони), он остался целым и невредимым, открыв нападавшему тайну: его лицо защищено тонким прозрачным листом графена, невидимым и при этом прочнее стали. Будучи в один атом толщиной, графен пропускает 97% видимого света, что делает его более прозрачным, чем большинство очков. И да, мы действительно можем видеть лицо через эту тончайшую лицевую панель из углерода.
Графен, благодаря своей атомарной толщине, действительно прозрачен — но может ли он защитить Тони Старка от пули? Вероятнее всего, авторы книги комиксов видели статью, опубликованную в то же время в журнале Science по работам Чжэ-Хван Ли, Филиппа Лойа, Джуна Лоу и Эдвина Томаса — «Динамика механического поведения многослойного графена при проникновении сверхзвуковых снарядов». В статье сообщается, что тонкий многослойный гарфен, всего в сотню атомов толщиной, будет в десять раз более «пуленепробиваем», чем сталь.
Что такое этот графен и почему он такой прочный? Графен состоит из углерода, элемента настолько гибкого в своих возможностях связи, что его можно представить как мастера йоги в таблице Менделеева. Углерод может перестраивать свои электроны для связи с двумя, тремя или четырьмя другими атомами углерода. Материалы из углерода обладают самыми разными свойствами, в зависимости от числа атомов углерода, которые лежат в основе их решетки. Углерод может образовывать органические молекулы из длинной цепи атомов — жидкие кристаллы, бензин, кевлар, вот это все, — а также перестраивать электроны для образования связи с другими четырьмя атомами и создавать алмаз (если вместо тех же четырех атомов углерода будет водород, получится метан).
Из-за прочности химических связей структура алмаза приводит к тому, что этот материал невероятно прочный. Возьмем графит: его атомы углерода лежат на плоскости, и каждый атом углерода связан с тремя другими, образуя соты шестиугольников на плоской поверхности. В графите тысячи таких пластинок, наложенных друг на друга.
Тем не менее каждый атом углерода может образовать только «полусвязь» с пластинками выше и ниже, а значит, их легко отделить друг от друга — именно так и пишет ваш карандаш на бумаге. Если вообразить самое легкое прикосновение, на бумаге останется слой всего в атом толщиной. Оптические, электрические и структурные свойства этого сверхтонкого слоя настолько отличаются от объемного графита или алмаза, что он заслужил собственное имя: графен.
Графен представляет собой сугубо двумерное твердое вещество, в чем и заключается секрет его силы. Если энергия снаряда, поражающего поверхность, растекается от точки удара достаточно быстро и рассеивается, остается слишком мало энергии в точке удара, чтобы разорвать химические связи, удерживающие материал вместе. Это перераспределение объясняет, почему лазеры не взрывают стены, как нам обещали фантасты: энергия света абсорбируется стеной и конвертируется в атомные вибрации (звуковые волны), которые растекаются от основной точки падения луча, сама стена остается нетронутой. В графене скорость звука довольно высока — более 22 километров в секунду, что наряду с крайне прочными связями между углеродами в листе графена делает его невероятно прочным материалом.
В эксперименте, описанном в Science, Ли и его коллеги обстреливали листы графена крошечными стеклянными пулями на высоких скоростях (до 3000 км/ч). Эти микропули проникали в листы, а на основе измерений выходной скорости ученые определяли, сколько требуется энергии, чтобы создать дыру заданного диаметра. Их исследования показали, что энергия, которая необходима для прокола слоев графена, в 8-12 раз выше, чем необходимо для сопоставимой по массе стали. Единственный материал, который догоняет графен в «сопротивляемости пулям», это кевлар, состоящий из длинной цепи углеродных молекул, замкнутых в жестких слоистых листах.
Скорость микропуль, которые использовались в эксперименте Ли и его коллег, примерно в два раза выше, чем скорость пули небольшого пистолета, используемого нападающим на Старка человеком. Неудивительно, что Старк остался целым и невредимым. Железный Человек, воплощение инженера в супергерое (или супергероя в инженере), естественно будет использовать самые передовые материалы и достижения области технологий. Ученые и инженеры нашего мира только начинают исследовать невероятные свойства графена. Можно не сомневаться, что скоро он будет использоваться повсюду.
