И вы тоже углерод

Текст: Андрей Тестов, Лаборатория «Однажды»

Место

Москва, Печатники, компания Umatex (входит в «Рос­атом»). Единственный крупный производитель углеродного волокна в России.

Человек

Илья Ничипорук, 26 лет, руководитель лаборатории технологии получения полимерных связующих. Любит свою работу и не любит пафоса.

Действие

Разработка углеродного волокна — материала будущего. На вид обычная пряжа, намотанная на катушки, на деле — нити прочней бетона. В лаборатории моделируют технологические цепочки для внедрения в производство на предприятиях Umatex.

Шестой элемент

«Углерод лежит в основе всего. Без углерода не было бы жизни — нигде в известных нам пределах Вселенной. Он есть во всем, что живет, жило и будет жить. Меня греет мысль, что и бриллиант, и женщина, надевшая его на палец, состоят из одного и того же элемента», - ​это монолог химика Уолтера Уайта, главного героя сериала «Во все тяжкие». Он произносит эту речь, чтобы заинтересовать учеников своим предметом.

«Вот вам информация для размышления. 96 % всей живой материи Земли состоят всего из шести элементов: углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы. И среди них углерод, шестой в периодической системе Менделеева, - самый распространенный», - ​это говорит уже не герой сериала, а реальный человек, Илья Ничипорук. И ему никого заинтересовывать не надо, он просто констатирует: углерод — главный материал творения, и все, что есть живого вокруг нас, и мы сами не что иное, как игры мироздания со своим базовым элементом.

В прозрачном пятилитровом лабораторном реакторе, похожем на баклажку для кулера, неторопливо и бесшумно перемешивается мутная желтоватая жидкость. Мы с Ильей молча наблюдаем, как мономеры акрилонитрила добросовестно объединяются в цепочки углеродных молекул. Акрилонитрил — белый порошок, который скармливают реактору, - ​один из продуктов нефтепереработки. В результате реакции получается полиакрилонитрил (ПАН) — самое популярное в мире сырье для производства углеродного волокна.

«Это как тесто замешивать, - ​объясняет Ничипорук. - Реакция прошла, полимер загустел, сейчас мы пропустим его через фильеру и приступим к выпеканию».

Илья хорошо помнит тот день, когда ему подарили детскую энциклопедию. Там, среди статей об Африке, силе притяжения и правилах русского языка, была таблица Менделеева. Девятилетний мальчик захотел разобраться, что обозначают эти прикольные латинские буквы в разноцветных квадратах. Но дальше короткой вспышки любопытства дело не пошло. Картинка заиграла новыми красками пять лет спустя — на первых уроках химии. Оказалось, детский интерес не исчез, а наоборот — созрел. И с учительницей повезло — вовремя увидела потенциал, сумела его раскрыть. Уже через полгода Илью начали приглашать на посиделки не для всех — каждую субботу старшеклассники собирались в лаборатории и занимались настоящим делом — разбирали олимпиадные задачи. Там, в отличие от скучных школьных контрольных, нужно было не просто разложить уравнение на бумаге, а решить реальную проблему. Например, получив набор реактивов, список методов и кусок стали, определить ее качество. Настоящая, взрослая химия. Однажды нырнув в этот мир, в подробностях объясняющий все, что происходит вокруг, уже не захочешь обратно.

Разумеется, после такой подготовки Илья даже не думал о том, чтобы поступить куда-то кроме химфака. Из вузов выбрал Российский химико-технологический университет им. Менделеева — оттуда выходят специалисты в узких областях. А специализацию Илья выбрал такую, что уже некуда: технология изотопов и водородной энергетики. Некоторое время после выпуска проработал химиком Pepsico, а потом через знакомого знакомых попал в росатомовскую Umatex.

Нитки с угольным отливом

Между тем мутная жидкость в реакторе созревает, загустевает и становится вязкой, как мед. Начинается обещанное выпекание. Студенистые колбаски, насосом продавленные через тончайший дуршлаг-фильеру, плещутся в ванне со специальным раствором, постепенно превращаясь в волокна. Но давайте отвлечемся и совершим короткую экскурсию в мир органической химии — экскурсию, от начала до конца посвященную соединениям на основе элемента номер шесть.

Итак, его величество углерод. Он присутствует в атмосфере, участвует в фотосинтезе, из его атомов выстроена ваша ДНК. Все, что вы можете назвать организмом, все, что варилось в первичном бульоне, а потом плавало, избавлялось от плавников, ползало, училось ходить, отращивало крылья, все, что когда-либо росло, цвело, лаяло, мяукало, мычало, размножалось и эволюционировало, - все это состоит из углерода. Пятую часть наших мышц составляют белки, белки, в свою очередь, - из аминокислот, а аминокислоты — это соединения на основе углерода. Максимально сократив эту цепочку, получаем вывод: нет углерода — нет нас. Дайте себе пару минут, чтобы привыкнуть к мысли, что вы тоже углерод. Ты — углерод, я — углерод, углеродная кошка гоняет по полу углеродный карандаш.

Каменный уголь и нефть — это фактически чистый углерод, а главное качество, которое подружило его с человеком, - способность гореть и давать энергию. Знаменитая алмазная твердость — это тоже наглядная демонстрация способности атомов углерода сцепляться. В тех случаях, когда им на протяжении миллионов лет никто не мешает и у них появляется возможность соединиться друг с другом в форме тетраэдра, получается самое твердое природное вещество на Земле. А если научиться управлять этим процессом, материалу можно придавать не только твердость, но и прочность, гибкость, стойкость при динамических нагрузках и в агрессивной среде. Именно этими опытами и занимается Илья Ничипорук, создавая, по сути, новые материалы.

Между тем нити ­ ПАН-волокна уже держат путь по многочисленным валам и ваннам. Они проходят сквозь печи, где атомы углерода становятся еще ближе друг другу, повышая тем самым прочность материала. Несколько этапов окисления выжигают из материала все лишние элементы. Постепенно волокна меняют свойства и цвет — сначала с белого на медовый, затем на  светло-коричневый и, наконец, на черный. После прохождения всей технологической линии получаются черные жгуты, каждый из которых состоит из нескольких тысяч тончайших нитей. Намотанные на бобины, они мало отличаются от обычных ниток, их истинную природу выдает только глубокий угольный отлив. Вот он — самый прочный в мире материал, из которого будет построено наше будущее.

Прикладная магия

Сами по себе нити никакой магией не обладают — сверхпрочность, сверхупругость и сверхтвердость появляются у них только после того, как они становятся частью композита.

«Композит вообще — это сочетание двух материалов, которые при соединении приобретают новые свойства, - ​объясняет Илья, остановившись на фоне нескольких хромированных цилиндров с протянутой между ними черной нитью. - ​Самый жизненный пример — железобетон: стальная арматура делает бетонную конструкцию в разы устойчивее. Самый древний пример — армированная соломой глина, из которой до сих пор строят дома-мазанки. По такому же принципу работают и углеродные композиты».

Представьте себе старый, ветхий мост на изношенных бетонных сваях, которые могут рухнуть в любой момент. Что с ним делать? Вариант первый — снести и построить такой же новый. Это долго, дорого и неудобно: движение окажется парализовано, в лучшем случае на месяцы, а то и на годы. Вариант второй — обернуть старые сваи углеродной тканью. Она будет служить арматурой, а окончательные свойства материалу придаст связующее — полимерная смола, которой пропитывают углеткань. Звучит фантастически, но в результате сваи обретут прежнюю прочность еще лет на тридцать. Таким образом проблема будет решена на порядок дешевле, быстрее, и даже движение перекрывать не придется.

Нет таких отраслей экономики, в которых эта «прикладная магия» не имела бы силы. В зависимости от состава связующего меняются характеристики конечного материала — он может быть твердым, гибким, каким угодно. И да, связующее — это тоже углеродные соединения.

В результате процессов, которыми управляет Ничипорук, получается материал нового века, идущего на смену железному. Пока композиты могут позволить себе только производители Lamborghini, самолетостроители, создатели космических ракет и конструкторы яхт. Но  почему-то здесь, в этой лаборатории, время, когда углекомпозиты потеснят всю стальную составляющую нашей жизни, не кажется таким уж далеким.

Понимаешь ли ты, спешащий по своим делам житель Печатников, что в непосредственной близости от тебя и твоей бетонно-деревянно-железной действительности, в высокотехнологичной лаборатории несколько химиков в белых халатах производят образцы материала будущего, который прочнее, легче и долговечнее всех известных человечеству сплавов? Готовьтесь, металлурги, реактор уже запущен, полимеры сшиваются, и будущее не остановить.