«Вполне возможно, что по утрам вы чистите зубы стеклом». Химик — о новых материалах и их возможностях

— В некоторых фильмах показывают страшные сцены: герой в порыве гнева или исходя из холодного расчета насыпает в пачку с кукурузными хлопьями стекло, чтобы обидчик умер в страшных муках. Вы же, Георгий, насыпаете стекло в зубные пломбы. Как вы после этого не злодей?

— Да, похоже на сюр. Объясняю. Все наши пломбы, грубо говоря, состоят из двух вещей: полимера (это углеводороды) и неорганической части (это фосфор, кремний, кальций, фтор). Именно в структуре стекла можно собрать все эти компоненты. Если поместить их в зуб, который мы лечим, они там отлично приживутся. Поэтому мы злодеи.

— Допустим. Я навела справки и узнала, что вы в своих лабораториях еще и делаете зубную пасту со стеклом. Что вы скажете на это?

— Стекло не обязательно должно выглядеть как стекло оконное или бутылочное, оно может принимать любые формы. В первом и во втором случае оно похоже на порошок. Однако это не стекло как таковое, это биостекло. С химической точки зрения оно имеет особый состав, отличается от привычных нам стекол. С бытовой — это порошок, которым нельзя порезаться. Хотя в принципе и биостекло можно сделать в виде большого монолитного куска, отколоть край и кого-то порезать. Но делать мы этого, конечно, не будем.

Возвращаясь к вашему вопросу: можно купить зубную пасту, которая будет содержать в себе микрочастицы стекла — повышенное количество фтора. И в этом нет ничего необычного. Каждая вторая паста содержит фтор.

Вполне возможно, что утром и вечером вы чистите зубы в том числе и стеклом.

Конечно, маркетологи об этом не говорят, иначе ассоциации были бы ровно такие, как у вас с кукурузными хлопьями. Но факт остается фактом.

Вообще, фтор как газ — опасное и ядовитое вещество. Но в той форме, в которой его использует наш организм (в виде ионов на поверхности зубной эмали), оно очень для нас полезно. Однако фтор вымывается, поэтому разными методами мы пытаемся его туда вшить, в частности — зубной пастой. И это правда работает.

Но биостекло можно использовать не только для заботы о зубах. Из него делают имплантаты, капсулы, в которые можно помещать вещества и доставлять их точечно, например в опухоль, и многое другое.

— Если мне оторвет руку, мне сделают стеклянную?

— Было бы прикольно, но думаю, что нет. А вот если бы вам раздробило руку, тогда мы бы ее немного застеклили. Мы можем разработать маленькую деталь на основе стекла, вставить ее в поврежденное место кости, там она приживется и обрастет нужными клетками.

Чтобы сделать деталь, часто используют 3D-печать. Обычно принтер печатает пластиком: туда загружаются пластиковые прутки, они разогреваются и превращаются в вязкую массу.

Мы можем взять биостекло в виде порошка, смешать с полимерами, которые будут разогреваться, и ими станет печатать принтер — получаются такие чернила из стекла, стеклянные сопли.

Этими «соплями» можно напечатать скаффолды — что-то похожее на строительные леса, которые потом помещаются в дефекты кости. В скаффолдах содержится кремний, кальций и другие нужные элементы. На эти скаффолды как раз и нарастают клетки.

— То есть это как искусственные рифы, только в организме человека?

— Да, только туда могут прибиваться не моллюски, а нужные клетки.

— Какие пределы и свойства у этого стекла? Может ли оно растворяться, держать форму? Допустим, если существует ткань из стеклянных нитей, можем ли мы соткать желудок из биостеклянных?

— Материал может не растворяться, растворяться быстро или постепенно. Всё зависит от показателя кислотности в организме и наших задач.

Если говорить про органы, то они состоят из живых клеток, и это не стекло, как бы нам ни хотелось. При помощи неорганических материалов мы можем им просто помочь. Например, что-то случилось — дырка в корабле, и все кричат: «А-а-а! Что происходит! Мы тонем!» А мы — бум — условного пластилина туда налепили, чтобы корабль не затапливало так быстро. И ребята на корабле радуются: «Ой, хорошо, что нам пластилином залепили, у нас есть время всё починить». Вот так примерно это и работает.

В сломанную кость мы помещаем материал, близкий к составу кости, и там стекло постепенно растворяется. То есть клетки, которые отвечают за рост костной ткани, туда приходят, осваиваются, и потом им эта поддержка уже не нужна. А, например, в колене биостекло будет функциональным элементом, механической поддержкой кости — и оно не должно растворяться.

А порой стекло должно раствориться очень быстро — это если мы говорим про большие раны. Вот на руке нет 10 сантиметров кожи — что делать?

Можно использовать ранозаживляющие повязки и покрытия, а можно — стекло, оно здесь тоже классно работает. На рану накладывается вата из стекла, выглядит она как сахарная. С ее помощью всё заживет быстрее.

Понятно, что если рану просто обрабатывать, убирать гной и так далее, она и так заживет, но остается огромный шрам плюс это долго. А вата помогает клеткам запустить процесс регенерации, и уже за месяц всё заживет. Шрам тоже остается, но намного меньше.

— Вата, порошок, сопли — почему это всё еще называется стеклом?

— Чем стекло отличается от другого материала?

— Структурой.

— Нормальный человек, который не читает научные статьи, скажет, что стекло прозрачное и хрупкое. Но дело, да, в структуре. Все твердые тела, которые нас окружают, могут быть двух типов: кристаллические и аморфные.

Материалы с кристаллической структурой состоят из структурных единиц. Хороший пример — оксид кремния. Все мы с ним прекрасно знакомы: это песок. Если посмотреть на его структуру, то даже одна песчинка состоит из миллионов структурных единиц, соединенных друг с другом одинаково. Структурная единица здесь — это тетраэдр, пирамида, как в Египте. И представьте такие пирамиды, но в центре вместо фараона — кремний, а углы пирамиды — это кислородики. Этих пирамид миллионы, и они соединены между собой последовательно, одинаково.

Но тот же оксид кремния может быть в виде стекла. И там те же самые тетраэдры, наши пирамидки, но соединены кое-как: где-то пустоты, где-то скопления. И в этом отличие.

Из-за этого возникают все необычные свойства, которые нам дает стекло. Прозрачность — это не характеристика стекла. Кристаллы тоже могут быть прозрачными.

— Правильно ли я понимаю, что из-за аморфной структуры вы можете в стекло добавлять всё что угодно?

— В принципе, и в кристаллы можно всё что угодно добавлять. И куда угодно — что угодно. Просто может ничего не получиться. В кристалле каждая структурная единица занимает свое место. При аморфной структуре есть определенные пустоты, и дополнительные элементы могут встраиваться в структурную сетку, модифицируя ее по-разному.

Со стеклом может случиться только одна нехорошая вещь — оно может превратиться в кристалл. Почему стекло кристаллизуется? Потому что кристалл — энергетически выгодное состояние. Все аморфные материалы стремятся так или иначе стать кристаллическими. Другое дело, что нам это невыгодно.

Мы, по сути, держим в заложниках структуру аморфных тел, чтобы они оставались стеклами и делали то, что мы им сказали.

Как вообще делают стекло? Мы собираем в сосуд компоненты, нагреваем их, превращая в условный «суп», а потом резко охлаждаем. Резкое охлаждение приводит к тому, что жидкость, в которой ничего ни с чем не связано, как бы замораживается. Из-за резкого перепада температур наши бедные атомы не успевают собраться в идеальную ровную структуру кристалла, а собираются кое-как в аморфную.

Если бы мы делали это медленно, они бы успели сориентироваться и превратиться в кристаллы. Собственно, на производстве кристаллов так и поступают: их долго «растят», медленно вытягивая кристаллы из расплава. А на производстве стекла расплав резко «выливают» в специальную форму или в стеклоформующий аппарат.

В науке и производстве важны и кристаллы, и стекла — просто каждое для своих целей. Кристаллы всегда дороже, потому что их очень сложно и долго получать. Не скажу, что стекла получать просто, но с технологической точки зрения их производство намного дешевле. А изменяя химический состав стекла, можно значительно менять его свойства, чего в кристалле добиться намного сложнее.

— И такое свойство, как прочность, тоже можно?

— Стекло — одно из самых слабых материалов, его, как душу поэта, легко разбить. Но стекла можно делать и прочными, верно. Есть понятие бутерброда или сэндвича из стекла (так называемого триплекса): при помощи тонкой полимерной пленки склеиваются несколько стекол и, если этот «бутерброд» чем-то ударить, треснет первая часть стекла, а другие останутся целыми.

Вспомните: в боевиках герою сначала надо угнать тачку и, когда он локтем разбивает боковое стекло, оно вдребезги разлетается. А потом он хочет стрелять через лобовое стекло, но всё не так просто: пули застревают, ему даже приходится потом ногой это стекло выбивать и нога тоже застревает. Всё потому, что там этот сэндвич. Это сделано для безопасности. Существуют даже бронестекла. На вертолете может быть 5–6 слоев таких стекол, и они могут выдерживать выстрел из автомата. Это как в мед стрелять — пуля теряет свой импульс и вязнет.

Но такие стекла очень тяжелые. И уже давно есть понятие упрочненного стекла. Еще в XX веке разработали метод, когда стекло помещают в ванну с расплавом соли и происходит диффузия — ионы стекла и раствора обмениваются. В обычном, привычном нам стекле содержатся натрий, кальций, магний, кремний. В растворе ионы натрия будут уходить из поверхности, ионы калия — входить в поверхность, и это приводит к тому, что стекло начинает немного напрягаться.

Ионы калия больше натрия, поэтому они пытаются буквально втиснуться в структуру стекла. Это как едешь в метро, и тут приходит толстый мужик, садится на единственное свободное место и распихивает соседей. И все напряглись.

То же самое происходит в стекле — появляется напряженный слой. Толстые ионы калия в стекло залезают, а места-то больше не становится. И таким образом повышается прочность стекла. Эта штука используется в наших смартфонах, называется Gorilla Glass — такие стекла тонкие и достаточно прочные.

Мы в РХТУ решили сделать что-то, что будет прочнее этих стекол. Потому что с Gorilla Glass проблемка — они царапаются. Царапины — это микродефекты. И они накапливаются, как стресс в нашей жизни. Со временем это приводит к тому, что даже если мы уроним телефон на линолеум, он разобьется.

— Похоже на то, как пакетик чая падает в чашку, когда ты на пределе. Секунда — и вот ты уже плачешь на полу, что вся жизнь катится под откос, ничего не получается.

— Да! И тогда мы создали ситалл. Ситалл — это сокращение от «стеклокристаллический материал». Сокращение придумал первый заведующий нашей кафедрой, известный ученый и технолог Исаак Ильич Китайгородский. По английский ситалл называется проще — glass ceramics, стеклокерамика.

В чем прикол ситалла? До этого мы обсудили, что стекло может закристаллизоваться, и это плохо, но оно может закристаллизоваться частично, и это хорошо. То есть мы его чуть-чуть отпускаем из рабства, но оно всё равно находится под надзором Большого Брата.

Мы медленно нагреваем стекло, и там возникают нанокристаллики. Это делает стекло прочным и термостойким. Сейчас самые популярные ситаллы — те, у которых низкий коэффициент линейного расширения; они могут быть у вас дома — это варочные поверхности на индукционных плитах. Из-за того, что в стекле есть микрокристаллы, оно не трескается, когда мы его резко нагреваем.

И мы подумали, что из ситаллов можно было бы делать экраны вместо Gorilla Glass. Они почти не царапаются, значит, не будет накапливаться этот стресс. Пакетик чая нам не страшен.

— Когда ждать?

— У нас была работа с компанией, которой это было интересно. Посмотрим, что дальше будет. Мы с коллегами, разумеется, можем запустить стартап, и это, с одной стороны, интересно, но с другой — напряжно. А все ученые на расслабоне привыкли жить, их только дедлайны приводят в чувство.

— Хорошо, если мы правда можем создавать такое прочное стекло, почему вы позволили Илону Маску оказаться в столь неловкой ситуации, когда он презентовал свою новую машину?

— Я думаю, что это был пиар-ход. Новость живет несколько часов, поэтому нужно что-то, что люди запомнят. А люди обычно запоминают факапы. Но в целом разбить и сломать можно всё что угодно, даже ситалл, если приложить должное усилие.

— Продолжим говорить про свойства: в рекламе в метро я увидела, что некоторые ученые начали записывать данные на стекло, как на флешку. Как это происходит и работаешь ли ты над чем-то подобным?

— У компании Microsoft есть проект Project Silica. Они собираются записывать много данных в стекло при помощи лазеров. И недавно действительно была новость, что они записали старый фильм про Супермена на пластину из стекла и назвали ее «вечная дискета». Это сделано в рамках контракта с компанией Warner Bros., чтобы хранить исторические фильмы.

Они используют кварцевое стекло, то есть стекло, состоящее из одного компонента — оксида кремния. При помощи лазера в нем можно создавать точки микронных размеров, в которых и можно хранить информацию.

Данные записываются не только на поверхности, как на CD-диск, а во всем объеме. Лазер фокусируется на разных глубинах стекла, и получается что-то вроде слоеного пирога, где каждый слой — это записанная информация.

Мы в РХТУ тоже работаем в этой области, посмотрим, у кого будет круче.

— А можем мы этот диск растянуть и поставить на лобовое стекло в машине, чтобы он работал и как экран: вылезала карта, контакты, фотки твоей бывшей — то есть всё, что требует душа, и чтобы при этом всё записывалось, как на регистратор?

— Мощно. В принципе, тут не совсем в стекле дело, потому что здесь оно выступает просто в роли экрана. Но есть очень клевая компания WayRay, исторически российская, сейчас у них офисы по всему миру, и они делают проекции на экран. В машине устанавливают специальный проектор, и он проецирует изображение как бы за экран — на дорогу. Делается это при помощи их специальной оптической схемы. Возникает такой эффект дополненной реальности: ты видишь стрелочки и другие указатели прямо на дороге. Это очень удобно для водителей, которые едут ночью по трассе. В принципе, можно так и фильм запустить на лобовое стекло во время отдыха.

— Что еще у вас на кафедре делают со стеклом?

— Одна моя коллега разрабатывает безобжиговые кирпичи. Она соединяет отходы металлургических комбинатов с жидким стеклом. С одной стороны, это экологическая история, ведь есть огромные отвалы, которые никому не нужны, их пытаются утилизировать, но получается не очень. С другой стороны, это история экономическая, потому что кирпичи можно продавать.

Из них можно строить дома, школы, церкви. Они дешевле, и вместо отвала у тебя будет деревня.

Купить их пока нельзя, потому что это экспериментальные разработки. Ну и, на мой взгляд, эта технология должна быть где-то локализована. У тебя есть одно-два металлургических предприятия, и у них один и тот же шлак — они могут запустить производство кирпичей. Каждый раз мы должны вносить в производство наших кирпичей что-то новое, потому что очень многое зависит от химического состава шлака. Но если запустить, тогда это будет экономически выгодно и в регионе эти кирпичи можно будет покупать. Это такая персонализированная технология. Есть же тренд на персонализацию: в образовании, в медицине. И вот здесь то же самое: мы от массовой технологии переходим к частной.

Еще мы разрабатываем защитные панели для солнечных батарей. Перед нами стояла задача, чтобы они были максимально прозрачными, чтобы батареи могли улавливать электромагнитное излучение и конвертировать его в энергию. В то же время они должны защищать батарею от механических воздействий. Более того, мы вводим в них дополнительные компоненты, чтобы они поглощали то, что не может поглотить батарея.

— Напоследок обрисуем ситуацию: ты пришел домой, посмотрел сериал, задвинул коробку с оставшимся куском пиццы под стол, ложишься спать. И на смену разным фантазиям приходят фантазии научные. Ты понимаешь, что со стеклом можно делать практически всё что угодно, в него можно запихнуть огромное количество элементов периодической системы. Что бы ты хотел создать?

— Мне очень нравится тема, которой сейчас занимаются нобелевские лауреаты по химии этого года Джон Гуденаф и Стэнли Уиттинхэм, — твердотельные литий-ионные батареи, технически это называется solid-state battery.

Сейчас в наших батареях, которые мы используем, например, в смартфонах, жидкий электролит, поэтому они могут взорваться. Кроме того, у них есть ограничение по мощности. В solid—state battery в качестве электролита можно использовать стекло, поэтому там нечему взрываться. И их можно делать большими — для электромобилей, самокатов.

То есть с их помощью мы сможем перемещаться на большие расстояния. Не скажу, что я об этом мечтаю, но нам бы это сильно помогло.

Еще можно создавать микрофлюидные чипы из стекла. Ты помещаешь капельку крови на специальную стеклянную пластину, в которую уже встроены микролазеры и микросенсоры, они эту каплю изучают, потом сами же отправляют врачу, он анализирует, а после система присылает тебе на почту данные с твоими результатами. И эта штучка у тебя всегда с собой. Вполне персонализированная медицина.

Ну и главная мечта — оптические, или фотонные компьютеры. Сейчас у нас в компьютерах электронные чипы, и пока они со своими задачами справляются. Но есть закон Мура, согласно которому скоро мы выйдем на плато нашего развития: мы уменьшаем и уменьшаем размер удельной части процессора, чипа, но есть размер, меньше которого мы сконструировать чип не сможем. И тогда мы перестанем развиваться, а развиваться нам надо. Развитие нам могут дать фотонные технологии, когда вместо электронов используются частицы света.

И всё, о чем я сказал, удобно делать в стекле. И в таком будущем будет классно.