История науки и техники. Материалы и технологии Часть 1

туитивный искусственный отбор, проводимый тысячи лет, превра­ тился в точную науку. Появилась возможность создавать в короткие сроки новые сорта растений. В 50-60-е года появились такие высо­ коурожайные культуры, что результат их внедрения породил новый термин: «зеленая революция».

Так американский ученый-селекционер Норман Эрнест Борлоуг получил короткостебельбную высокоурожайную пшеницу. Короткий стебель способен нести большой колос. Растение при этом не расхо­ дует энергию на образование ненужной массы, которая затем превра­ щается в солому. Осуществив блестящую селекционную работу, он провел организационные мероприятия по внедрению новых сортов. В результате за пять лет с 1965 по 1970 гг. производство зерна в Индии и Пакистане удвоилось. В 1970 году Нобелевский комитет при Нор­ вежском стортинге присудил Борлоугу Нобелевскую премию мира.

Отметим, что более 70% пищевых продуктов население Земли получает за счет всего 12 видов растений (пшеница, рожь, ячмень, овес, рис, кукуруза, картофель, горох, бобы, просо, морковь, капус­ та) и 5 видов животных (корова, свинья, овца, куры, индейка).

В настоящее время людям далеко не безразлично, что они едят на завтрак, обед или ужин: привычные продукты питания или биоге­ нетический хит сезона, будь он трижды полезен. Если в Америке во­ прос с генетически измененными растениями решен положительно, то Европа по-прежнему проявляет осторожность. Президент США Буш недавно даже позволил себе замечание, что страны ЕС несут от­ ветственность за голод в Африке, и пригласил европейских предста­ вителей в Вашингтон на ланч из новых продуктов. Любопытно, что ряд стран Черного континента отказались принять генетически мо­ дифицированную гуманитарную помощь, но захотели получить ее денежный эквивалент. Впрочем, потом передумали и приняли.

Европейский парламент предложил членам ЕС самим опреде­ ляться с проблемой измененных растений. Например, в некоторых испанских автономиях принят пятилетний мораторий на коммер­ ческое производство модифицированных культур. Жители Британ­ ских островов пока еще не пришли к единому мнению: есть или не есть. Обязательная маркировка продуктов, содержащих генетиче­ ски модифицированное сырье, введенная Минздравом России ров­ но год назад, не означает, что данный продукт может нанести вред здоровью человека. Это не более чем дополнительная информация для потребителей.

4. КЕРАМИКА, СТЕКЛО, ПЛАСТМАССЫ

Не каждая годится глина (особенно, если рука ленива),

чтобы из нее можно было какой-то предмет сделать, чистую миску, ибо до самой последней

частички, самого мелкого песочка беспрерывно разглаживаться должны самые тонкие, самые маленькие

комочки, пока в них не останется ни одной песчинки. Потом из того, что так чисто сделано, что-то выберется, что годится для следующего,

ибо как говорится, краску накладывать недешево обходится.

(Анонимный автор

конца XVII - начала XVIII веков)

4.1. КЕРАМИКА

Самые древние следы использования керамики найдены в Мо­ равии и имеют возраст порядка 25000 лет. Здесь изготавливали из сырой глины и обжигали мелкие женские статуэтки и фигурки жи­ вотных (мамонта, медведя, северного оленя). Древние охотники от­ крыли процесс превращения пластичной, податливой глины в твер­ дый, практически неуничтожаемый материал. Электронный микро­ скоп показывает, что глина состоит из мельчайших шестиугольных пластиночек толщиной от двух до трех десятитысячных миллимет­ ров, причем атомы сгруппированы таким образом, что пластинки легко связываются друг с другом или с молекулами воды. Открытие древних охотников было забыто и было заново найдено в несколь­ ких местах раннеземледельческой культуры в виде сосудов со стрельчатым дном (Япония, Тайвань). А в VII тысячелетии до на­ шей эры на Ближнем Востоке и в Америке начался золотой век ке­ рамики. Потребность в этом производстве связана с необходимости хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Но из керамики делали не только сосуды, но и скульптурные фигурки, ложки, черпаки, гири, прясла, различный инвентарь.

Черепки самого древнего горшка найдены в апреле 1999 года в префектуре Аомори на севере Японии. Судя по составу изотопов углерода в слое сажи на дне горшка, его ставили на огонь 16 500 лет назад. Черепки украшены довольно сложным узором, ранее извест­ ном только на японских керамических изделиях, которым как ми­

нимум на 3000 лет меньше. До этой находки самым старым керами­ ческим изделием считался горшок, найденный в среднем течении реки Янцзы (Китай), возрастом 14 000 лет.

Доисторические гончары получали керамическую массу путем размельчения лессовых глин, в которые добавляли отощающие при­ меси (песок, дробленый камень, толченые раковины, слюду) и орга­ нические примеси (траву, солому). После тщательной замески, ко­ гда смесь приобретала хорошую пластичность, сосуд либо вытяги­ вался из одного куска, либо делался из валиков, которые укладыва­ лись друг на друга. Таким образом изготавливались сосуды до мет­ ра высотой. Первые гончарные круги появились в Восточном Сре­ диземноморье в пятом тысячелетии до новой эры. В Средней Евро­ пе его распространение связано с кельтами в первом тысячелетии до новой эры. В Америке гончарный круг до прихода европейцев был неизвестен. В античности гончарный круг получил важнейшее усо­ вершенствование: ножной привод. Благодаря такому приводу обе руки гончара освобождались для формовки. Эта разновидность гон­ чарного круга просуществовала до девятнадцатого века, когда на­ стало время машинной технологии.

После формовки сосуда его поверхность тщательно разглажи­ валась, полировалась и украшалась в зависимости от моды соответ­ ствующего периода. Затем наступало время сушки на воздухе, предшествующей обжигу на открытых кострах или в печах. Для обжига нужна температура не менее 600 градусов (оптимальная температура 900 градусов). Гончарные печи совершенной конст­ рукции с колосниковой глиняной решеткой известны с латенской эпохи. Первоначально сосуды изготавливались либо с заостренным, либо с округлым днищем. По мере отработки процесса сушки и об­ жига научились изготавливать сосуды и с плоским дном. Для при­ дания стенкам сосуда герметичности и красивого блеска он мог по­ крываться тонким прозрачным слоем - глазурью. Она появилась в IV тысячелетии до н. э. в Сирии. В средние века техника глазуривания была усовершенствована арабами, от которых она была заимст­ вована европейцами.

Прошлое донесло до нас множество сосудов, в которых пе­ рейден рубеж, отделяющий ремесло и искусство, и целый ряд тайн, оставленных древними гончарами. После долгих трудов удалось повторить древнеегипетские сосуды с черной кромкой и красным корпусом, изготовленные из окисножелезистой глины. Другие за­ гадки поставили перед археологами древнегреческие и древнерим­ ские гончары. Древнегреческая керамика черного цвета получалась

путем обжига в восстановительной среде, а красный цвет обеспечи­ вался окислительной средой с большим избытком воздуха.

Вершиной гончарного искусства является производство фар­ фора, который появился в Китае в IV-VI веках. Изобретение фарфо­ ра связано со стремлением найти замену дорогой и модной посуде из нефрита. Поэтому первые фарфоровые изделия имели зеленый или голубовато-серый цвет. Впоследствие фарфоровая глина белого цвета стала рассматриваться как ценное сырье. Наибольший расцвет фарфорового производства относится к XV веку, эпохе династии Мин. До сих пор самым дорогим считается фарфор, изготовленный в провинции Цзянси в мастерских Цзиндэчженя. Во время Второй мировой войны японцы, захватив провинцию Цзянси, стали выво­ зить в качестве трофеев художественные изделия из знаменитых мастерских. С фарфором повторилось то же самое, что и с многими другими достижениями (например, порохом и книгопечатанием): его переоткрыли. Сначала это сделал саксонский алхимик Бетгер с помощью своего покровителя и учителя графа Чирнхауза (знамени­ тый мейссенский фарфор, украшенный двумя скрещивающимися мечами.). Затем фарфор стали производить и в других странах. В России производство фарфора в Санкт-Петербурге наладил Дмит­ рий Виноградов - соученик великого Ломоносова. Стоил фарфор в те времена очень дорого. Известно, что однажды в Германии за сер­ виз из 48 предметов был отдан полк солдат. Царский двор поддер­ живал свою фарфоровую мануфактуру. Так, Екатерина Великая за­ претила ввоз фарфора из-за границы. Однако внутренняя конкурен­ ция существовала, поэтому качество русского фарфора было высо­ ким, что неоднократно подтверждалось успехами на международ­ ных выставках.

Качество фарфора зависит от состава: белой, чистой глины, белого песка, слюды или полевого шпата. В формовке и в сушке особого секрета нет. Обжигают фарфор дважды: сначала слегка, по­ сле чего наносят рисунок и покрывают глазурью, затем окончатель­ но при высокой температуре почти доводя до плавления. При этом все частички сплавляются, обеспечивая прозрачность. При низкой температуре из тех же исходных материалов получается фаянс, по­ ристый, как глиняный горшок. С донышка фарфора обязательно удаляется глазурь, иначе она приклеит чашку к подставке. Для того чтобы при обжиге фарфоровые изделия не коробились, приходится сооружать хитроумные подпорки.

В последние десять лет к керамике приковано внимание целой армии исследователей и инженеров. Настает эпоха конструкцион­

ной керамики, особенно для химической промышленности и высо­ котемпературного энергетического машиностроения. К 1990 году в экспериментальных образцах стали использовать кристаллы карби­ да кремния, погруженные в кремниевую массу; нитрида кремния Si3N4; двуокиси циркония; композицию из Si - А1 - О - N (Sialon). Основная проблема этих новых материалов -хрупкость.

4.2. СТЕКЛО

4.2.1. Основные сведения о стекольном производстве

В природе встречается вулканическое стекло - обсидиан. Сво­ им современным названием он обязан римскому гражданину Обсидию, который привез его из Эфиопии в Древний Рим. Искусствен­ ное стекло было открыто в Шумере и Египте в виде глазури, кото­ рая образовывала при обжиге покрытие на керамических сосудах, примерно 4000 лет до н.э. По своему составу древние стекла можно разделить на натриево-кальциевые и калиево-кальциевые. Исход­ ным сырьем для изготовления стекла служили песок, известь и ще­ лочь (либо органическая из золы растений, либо неорганическая - сода). Для получения качественного стекла необходимо достаточно точно держать температуру в печи (1000° С). После зарождения производства стеклянных покрытий в Древнем Египте стекло стали называть египетским. Египтяне производили цветное стекло, а в Месопотамии - прозрачное. Первые стеклянные изделия - это ук­ рашения: бусины, палочки, полоски. Однако в шестнадцатом веке до нашей эры научились делать стеклянные вазы. Примерно в то же время производством полого стекла овладели и в Египте. Там мас­ тера помещали форму, сделанную из спрессованного стекла, в рас­ плавленное стекло и вращали ее в ванне. Стекло оседало на стенках формы. Заготовку остужали, удаляли песок и производили оконча­ тельную обработку. Позже стекло начали делать в Микенах (Гре­ ция), Китае, Индии, Дальнем Востоке. Центром древнего стеклоде­ лия стала Александрия, откуда это ремесло распространилось по всему Средиземноморью, включая столицу Империи - Рим. Первая письменная технология производства стекла зафиксирована в биб­ лиотеке ассирийского царя Ашурбанипала. Она относится к 650 го­ ду до н. э. Настоящий переворот в технологии стекольного произ­ водства произошел после открытия метода выдувания при помощи тонкой металлической трубки. Это открытие сделали неизвестные сирийские мастера на рубеже новой эры (между 27 годом до н. э. и 14 годом н. э.). Этот метод, позволивший существенно изменять форму стеклянных сосудов, практически не изменился до нашего

времени. Он используется при изготовлении уникальных единич­ ных образцов. Римские купцы, пришедшие на берега Нила, были поражены красотой и прозрачностью нового для них материала. И уже очень скоро в Лации появились первые стекольные мастерские, которые могли составить конкуренцию ремесленникам-египтянам.

Прекрасным свидетельством высокого уровня мастерства яв­ ляется старинная амфора бирюзового цвета поразительной тональ­ ности, которая была обнаружена в этрусском захоронении - гроб­ нице Барберини. Работая вручную, используя лишь примитивные инструменты, римские мастера создавали великолепные вазы и куб­ ки, чаши и амфоры. Добиваясь идеальной прозрачности стекла, римляне стали добавлять при его изготовлении марганец и мышьяк. Свои изделия мастера Рима украшали росписью или гравировали. Ими была изобретена своеобразная техника росписи: на стекло на­ кладывалось несколько слоев краски, а затем лишнее постепенно убиралось. Оставался лишь необходимый рисунок.

И еще одно важное изобретение принадлежит римским масте­ рам: они первые научились изготовлять плоское стекло, тонкое и прозрачное. Известно, что оно появилось во времена правления им­ ператора Тиберия и использовалось при сооружении оранжерей, в которых выращивались дыни для императорского стола. Овладение технологией производства плоского стекла позволило римлянам за­ менить слюду, которую они вставляли в окна своих домов. Сейчас это может показаться странным, но как слюду, так и стекла в Риме ставили только на ночь.

Во времена императора Августа стеклоделие интенсивно раз­ вивается в Римской империи. Изделия из стекла вывозятся во все европейские провинции государства. Римляне стали широко ис­ пользовать стекло в строительстве домов, особенно после открытия прозрачного стекла путем добавления окиси марганца. На месте раскопок знаменитой Помпеи найдено множество фрагментов оконных стекол, которыми закрывали не только проемы в стенах, но и крыши бань. Первые римские стекла имели толщину порядка 1 миллиметра. Технология их изготовления неизвестна, но существу­ ет версия об их отливке в плоские формы.

Два древних римских писателя Петроний и Плиний Младший рассказывают одну и ту же легенду: изобретатель принес императо­ ру Тиберию кубок из неразбиваемого стекла и ждал награды. Импе­ ратор повелел отрубить изобретателю голову и похоронить вместе с ним его кубок. Он боялся, что стекло окажется дороже золота его казны.

После завоевания Рима варварами историю стекла продолжи­ ли мастера Греции и Передней Азии. На Западе крупным стеколь­ ным производителем стал Кельн в Германии, но немецкое стекло было более низкого качества. Там были открыты новые способы из­ готовления листового стекла. Стеклодув выдувал полую плоскую сферу и начинал вращать ее в вертикальной плоскости, в результате чего сфера вытягивалась в цилиндр до двух метров длины. У ци­ линдра отрезали дно, разрезали по образующей и укладывали на ровную плиту, которую помещали в печь для разравнивания листа. Монах бенедиктинец Теофил в X веке открыл второй метод: выду­ вался широкий пузырь, которому в результате маховых движений придавалась цилиндрическая форма. Конец пузыря протыкали и расширяли. То же самое проделывали и на другом конце. Затем сле­ довал обжиг и разрез в продольном направлении раскаленной же­ лезной полосой.

В церквях стекло широко применялось для изготовления вит­ ражей с XII века, в дворцах - с XIV века, в начале XVI века стекло стало обычным строительным материалом для домов среднего со­ словья. Первым научным трудом в области стеклоделия признается вышедшая в 1612 году во Флоренции книга монаха Антонио Нери, в которой даны обстоятельные советы об использовании окислов свинца, бора, мышьяка для осветления материала, приведены соста­ вы цветных стекол. Существенную роль в создании основ стеклоде­ лия сыграли русские ученые М.В. Ломоносов, Э.Г. Лаксман, С.П. Петухов и другие.

Римская техника изготовления стекла была утеряна и открыта заново в Венеции. В Венеции в музее Коррер на площади св. Марка открыта постоянно действующая выставка под названием: «Тысяче­ летие венецианского стекла». Археологические находки, сделанные группой ученых на острове Торчелло в 1961 году, позволяют утвер­ ждать, что стекольные мастерские существовали там уже в середине VII века. Торчелло в ту пору входил в состав Равеннского экзархата (византийское владение в Северной Италии). Находки убедительно доказывают, что старинные мастера уже тогда стремились исполь­ зовать все пластические и цветовые возможности стекла и весьма в том преуспели. В Венеции стекольное производство неразрывно связано с местечком Мурано, островом стекольных мастерских, где находится и уникальный музей стекла. Вклад умельцев Мурано в развитие стеклодувного дела прослеживается на протяжении мно­ гих веков - вплоть до наших дней.

С XIII века н.э. центр художественного стеклоделия оконча­ тельно переместился в Венецию. Покупать изделия из стекла на зо­ лото становилось слишком накладно, и правители Венеции прини­ мают решение создать стекольные мастерские у себя. В 1203 году там был издан специальный закон, целью которого являлось при­ влечение в Венецию греческих и азиатских мастеров. Для них пре­ дусматривались значительные льготы. Так, например, стекольные мастера освобождались от уплаты налогов, им разрешалось всту­ пать в брак с дочерьми патрициев и даже получать сан дожа. При этом тот же закон строжайше запрещал покидать пределы респуб­ лики. Бегство из Венеции расценивалось как государственная изме­ на, за которую наказанию подвергалась и семья беглеца: родствен­ ников заключали в тюрьму, а их имущество конфисковывалось. Од­ на из статей Закона о стекольных мастерских гласила: «На поиски беглого ремесленника надлежит послать-гонца, в обязанности кото­ рого входит приведение в исполнение смертного приговора...»

И уже очень скоро венецианцы превзошли мастеров Тира, Да­ маска и Константинополя. Им удавалось создавать удивительные по прозрачности изделия, в которых не было ни «единого пузырька». В XV-XVI веках стеклодувы Венеции достигли вершины славы.

Для того чтобы еще тщательнее сохранять секреты производ­ ства уникального венецианского стекла, правительство Венеции даже приняло решение изолировать стекольных мастеров и посе­ лить их на острове Мурано. Предлогом для принятия этого решения послужил тот факт, что печи стеклодувов нередко являлись причи­ ной пожаров в городе. Так Мурано становится столицей стеклоде­ лия.

Наряду с прекрасными произведениями прикладного искусст­ ва в мастерских острова впервые были изготовлены миниатюрные ручные зеркала. Новинка так дорого ценилась, что в торговом обме­ не приравнивалась к золоту. Именно венецианские мастера первыми стали изготовлять витражи, получившие название «бычий глаз». Для их создания применяли особый вид стекла, которое «перелива­ лось всеми цветами радуги и напоминало опал». Секрет изготовле­ ния этих витражей долгое время оставался известен лишь мастерам Мурано. Окна самых великолепных дворцов на Канале Гранде были украшены витражами «бычий глаз».

Конец безраздельному господству Венеции в производстве художественного стекла положило одно неожиданное событие, произошедшее в конце XVII века: венецианский мастер Джорджо Балларин совершил «государственную измену»: он продал секрет

изготовления стекла французам. Изделия, выходившие из мастер­ ской Баровье, где работал Балларин, давно привлекали внимание Людовика XIV, так как по красоте и изысканности им не было рав­ ных. Французскому послу в Венецианской республике было прика­ зано во что бы то ни стало добыть секрет технологии изготовления удивительного стекла. Позже на протяжении многих веков стекло­ дувы Франции конкурировали с венецианскими мастерами.

К концу XVII века изделия стекольной промышленности ост­ рова столкнулись с серьезным конкурентом: им стал новый вид стекла с добавкой окиси свинца - хрусталь, родившийся в Англии и Богемии. В 1674 году англичанин Джордж Равенкрофт (1618-1681) запантентовал способ производства хрусталя с высоким процентом содержания окиси свинца. В том же XVII веке одним из важных центров художественного стеклоделия становится Чехия. Значи­ тельных успехов достигли и германские мастера. Таким образом, предательство Балларина дало толчок развитию стекольного дела во всей Европе, а позднее в мире. И только в XVIII веке стекольный промысел Мурано смог оправиться от удара, начав поставлять на мировой рынок хрусталь, не уступающий изделиям богемских мас­ теров.

Как мы видим, прежде чем стать предметом ежедневного оби­ хода, стекло прошло долгий путь. Важной вехой в его истории стал XVIII век, когда наконец оно окончательно вытеснило бумажные и матерчатые пластины в окнах домов.

С тех пор многое изменилось, усовершенствовалась техноло­ гия производства стекла, расширился диапазон его применения, по­ стоянно улучшается его качество. До конца XIX века в этой области преобладал ручной труд, а основным инструментом была стекло­ дувная трубка, изобретенная еще в I веке до н.э. Во второй половине XX (или прошлого) столетия производство всех видов массового стекла было механизировано. Дальнейшему распространению стек­ ла способствовало изобретение американцем Колбурном нового - дешевого - метода изготовления оконных стекол. Его метод состоял в том, что стекло «разглаживалось» при помощи металлических рам, которые погружали в расплавленную стекломассу и получали таким образом заготовки для окон. Одним из основоположников со­ временной стекольной промышленности стал немецкий ученый От­ то Шотт (1851-1935), изучавший влияние различных химических элементов на оптические и термальные свойства стекла. Фридрих Сименс, брат знаменитого Вернера фон Сименса, изобрел новый тип печи, позволивший существенно повысить качество изготавли­

ваемого стекла. В 1910 году французский ученый Эдуард Бенедиктус изобрел способ производство прочного, пуленепробиваемого стекла, поместив специальную целлулоидную пленку между двух листов стекла. Такое стекло он запатентовал под названием «трип­ лекс». Важное изобретение в стекольном производстве принадле­ жит бельгийцу Фурко, который в 1905 году начал вытягивать верти­ кально из печи непрерывное стеклянное полотно постоянной шири­ ны. В конце первой мировой войны другой бельгиец, Эмиль Бишеруа, разработал технологический процесс, при котором стекло вытя­ гивается из печи между двумя роликами. Подобно методу Фурко, этот способ облегчал последующую качественную полировку стек­ ла с небольшими затратами. В 1959 году английская компания «Пилкингтон бразерз» предложила современную методику изготов­ ления высококачественного стекла, позволившую сочетать высокие оптические качества полированного стекла и экономичность метода Фурко. Расплавленное стекло протекает по поверхности ванны с расплавленным оловом, где оно растягивается и выравнивается по­ средством сил тяжести и поверхностного натяжения, а затем протя­ гивается горизонтально по длинной, непрерывной ленте. Описан­ ный метод производства стекла применяется в настоящее время наиболее часто. Называется он флоат-метод.

Стекло с XI века производили в мастерских, расположенных на территории Киево-Печерской лавры. О дальнейшем развитии русского стекольного производства до начала семнадцатого века данных нет. В 1634 году швед Юлий Койет построил стекольный заводик в селе Духанино вблизи Воскресенска. В 1699 году в Из­ майлово открылся второй стекольный завод, на котором трудилось всего 7 рабочих. К середине XVIII века только в Москве работало 7 стекольных производств. В 1880 году в России работало уже 207 фабрик, на которых трудилось 14000 человек. К концу XIX века бы­ ло 283 стекольные фабрики, во Владимирской, Новгородской и Тверской губерниях и в обеих столицах. В основном изготавлива­ лась посуда, листовое стекло - в меньшей степени. В начале XX ве­ ка стекольная отрасль в России испытывает настоящий подъем. По­ сле 1917 года выпуск стекла неуклонно возрастал за счет строитель­ ства новых заводов. На листовое стекло приходится 45% производ­ ства. Современный флоат-метод реализован в России только на трех заводах: Саратовском, Салаватском и Боровском.

Оптические приборы, линзы, телескопы, очки не появились бы в нашей жизни без открытия стекла. Сегодня благодаря огромным зеркальным телескопам мы имеем возможность заглянуть в другие