Почему мы можем видеть сквозь стекло?
За тысячи лет до того, как появился пластик – дешевая имитация стекла, – стекло было единственным материалом, через который можно было наблюдать мир (разумеется, за исключением нескольких других природных объектов, таких как вода или крылышки стрекозы). И по сей день стекло остается единственным прозрачным материалом на планете. Прозрачность определяется тем, что сквозь него может проходить свет. Но почему он не может проходить через другие материалы, например металлы?
Дело не в толщине слоя вещества. Тонкие листы бумаги могут пропускать свет, но они не прозрачны (не позволяют вам увидеть то, что происходит за ними). Очень тонкая папиросная бумага позволяет вам опознать объект, на который она положена, но не даст возможности увидеть объект, находящийся на расстоянии, потому что частично отражает свет (под углом, равным углу падения света), частично пропускает его и частично рассеивает (под случайными углами, делая фокусированное распространение света невозможным). Существует алюминиевая фольга толщиной всего 0,2 мм (тоньше тончайшей бумаги). Но сквозь нее вы ничего не можете увидеть.
Прозрачность или светопроницаемость материалов определяется тем, как они взаимодействуют со светом, который пытается проникнуть сквозь них. Металлы легко поглощают частицы падающего на них света, которые называются фотонами, а также некоторые виды излучения неоптического диапазона, например рентгеновские лучи (подробнее об этом речь пойдет в главе 10). Атомы металлов окружены облаками свободных электронов, которые легко поглощают фотоны света и эффективно обмениваются ими. Схожую картину мы можем наблюдать, когда игроки ловят мяч и отбрасывают его сопернику. Блестящие металлы вроде алюминия и серебра отражают фотоны всех оптических частот (видимых цветов), при этом частично поглощая их энергию и нагреваясь. Именно поэтому алюминий и серебро используются при производстве зеркал. Цветные металлы, например медь и золото, отражают фотоны на одних частотах, но поглощают (или проводят) на других. Например, медь отражает фотоны красного спектра, но поглощает другие спектры – от желтого и зеленого до голубого и фиолетового.
Чем же отличается от перечисленных материалов стекло? Все дело в его внутренней атомарной структуре. В стекле все электроны полностью связывают его аморфную структуру, свободных электронов нет. Для их возбуждения нужна значительная энергия. Они не могут поглощать фотоны видимого света, как металлы. Поэтому эти фотоны свободно «пронзают» структуру стекла. Атомы последнего даже не «замечают» их, не взаимодействуют с ними. Если мы используем ультрафиолетовый свет, фотоны которого обладают большей энергией по сравнению с видимой частью спектра, то их стекло поглощает. Именно поэтому под ультрафиолетовым освещением оно выглядит непрозрачным и темным[110]. Когда стекло окрашивается путем добавления атомов различных металлов, совмещаются атомарные структуры обоих материалов: стекло пропускает свет, а атомы металлов внутри него определяют цвет видимого света.
Умное стекло
Твердое вещество, сквозь которое мы можем видеть: стекло – привычный нам материал, одновременно удивительный и банальный. Мы воспринимаем его как часть жизни. Мы часто не замечаем окон, пока какой-нибудь неосторожный воробушек не ударится о них. Я не утверждаю, что стекло совершенно. Вовсе нет. Оно хрупкое и острое, собирает на себя огромное количество грязи, легко пропускает жар и (как последняя ябеда) выдает наши секреты всем, кто ими интересуется. К счастью, последние научные достижения позволяют преодолеть эти недостатки. В последнее время появилось много видов умного стекла.
Останавливая тепло
Сидя в кресле зимой у окна, можно продрогнуть, и не только потому, что в местах крепления стекла к раме обязательно будут микрощели: само стекло пропускает комнатное тепло наружу. Если вам не совсем понятно, почему твердое стекло пропускает тепло, представьте, что вы сидите у костра или камина. Если вы расположитесь слишком близко к огню, то почувствуете, как у вас разогреются щеки, хотя между вами и огнем будет приличная воздушная прослойка. Как будто на вас действуют какие-то невидимые тепловые лучи. Именно это и происходит.
Тепло может распространяться даже в вакууме, например между Солнцем и Землей, в форме инфракрасного излучения . Оно похоже на свет и передвигается в пространстве с такой же скоростью – около 300 000 км/с. Правда, его волны несколько длиннее световых[111]. В радуге, где цвета располагаются от красного снаружи до голубого внутри дуги, инфракрасное излучение обнаружится только на границе красного спектра, причем оно будет невидимым. Если тепловые лучи похожи на световые волны и распространяются одинаково, неудивительно, что тепло проникает сквозь стекло. Там, где проходит свет, пройдет и тепло.
Решение простое: сделайте зеркальные окна, покрыв стекло очень тонкой пленкой оксида какого-нибудь металла (отлично подойдет диоксид титана). Если толщина покрытия составит всего несколько атомов, то это не помешает свету проникать сквозь стекло. Но в полуденную летнюю жару эта почти невидимая пленка будет великолепно отражать тепловые (инфракрасные) лучи, помогая сохранять прохладу в доме. А холодными зимними ночами, когда в доме значительно теплее, чем снаружи, любое производимое в помещении тепло (с помощью центрального отопления или электрических рефлекторов) будет отражаться от металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность окон, и оставаться в доме.
Стекло, чистое до скрипа
Многим нравятся чистые и сверкающие окна. Но не все жаждут добиваться этой чистоты с помощью высоких стремянок, губки со специальным моющим раствором и чистого куска замши для протирки насухо. Возможно, вы спросите: почему окна домов там, где дожди идут чаще, чем светит солнце, не очищаются от грязи сами собой под потоками дождевой воды? На деле грязь накапливается на внешней стороне стекол, и на нее налипает новая грязь. Вот и вся помощь от дождика.
К счастью, уже появились инновационные самоочищающиеся окна. Однако в отличие от лобовых стекол на машинах, очищающихся с помощью скрипучих дворников и омывающих жидкостей, в самоочищающихся окнах работает не механика, а химия. Так же как теплозащитные окна, эти стекла покрыты диоксидом титана. Любители позагорать на пляжах хорошо знают, что солнечный свет имеет в своем составе невидимый, но достаточно опасный для человека компонент под названием ультрафиолетовое излучение . Оно сморщивает кожу человека, как излишний жар – куриную кожицу. В крайних случаях излишнее воздействие ультрафиолета на кожу человека может вызывать рак кожи. Ультрафиолет – «синий» аналог инфракрасного излучения. Длина волн у него чуть меньше, чем у нормального голубого света. Он невидим, но его можно обнаружить на границе голубого спектра радуги. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение можно представить себе невидимыми «стойками на книжной полке», между которыми располагаются видимые глазу спектры света.
Хотя ультрафиолет и опасен для кожи человека, он во многом полезен. Когда ультрафиолетовые лучи попадают на молекулы диоксида титана на самоочищающихся окнах, они выбивают из них электроны (это явление известно как фотоэффект). Электроны ударяются о молекулы воды, содержащиеся в воздухе, и превращают их в гидроксильные радикалы[112]. Из молекулы воды «выбивается» один атом водорода, и возникает гидроксильный радикал ОН−. Он работает как сильный окислитель и моющее средство, измельчая скопившуюся на стеклах грязь в микроскопические образования. Во время дождя мельчайшие частицы грязи смываются начисто.
По крайней мере так это работает в теории. Внутренним поверхностям окон, которые мы должны мыть своими руками, стоит устыдиться.
То видно, то нет
Одно из самых интересных, даже обескураживающих свойств стекла состоит в том, что когда вы сквозь него смотрите, то видите обманчивую картину того, что происходит за ним. Если вы прогуливаетесь по улице и случайно бросаете взгляд в окно магазина или чьего-то дома, то видите очень немногое. Когда же вы внутри помещения и видите, что кто-то заглядывает через окна, вам кажется, что этот человек может рассмотреть всё вокруг вас в деталях. Именно поэтому люди используют разные шторы, занавески, жалюзи и т. д.
Но на самом деле всё совсем не так. Причина в том, что внутри помещения обычно гораздо меньше света, чем снаружи. Насколько? Очевидно, что это зависит от времени года, времени суток, состояния погоды и вашего местоположения на Земле (что в конечном счете влияет на ваше положение по отношению к Солнцу). Однако в широком смысле естественная освещенность вне помещения в среднем в 2000 раз превышает таковую внутри него[113].
Если вы в комнате, то за ее окном значительно светлее. Поэтому вы легко можете видеть световые лучи, проникающие в помещение и приносящие изображение происходящего снаружи. Вне помещения вас окружает много света. Но внутри дома его гораздо меньше, и еще меньше его проникает наружу сквозь окна. Хотя стекло и выглядит прозрачным, оно пропускает не весь свет, падающий на него. Около 10–15 % этого света оно отражает[114]. Даже если в помещении и есть свет, не весь он может проникнуть сквозь окна наружу. Именно поэтому, как ни удивительно, окна обычно хранят тайны вашей частной жизни, даже если на них нет штор.
Ночью, разумеется, всё меняется с точностью до наоборот. Когда садится солнце и мы остаемся с уличным освещением и слабым молочным светом луны (если она полная), на открытом пространстве света остается очень мало. Обычная внутренняя освещенность помещений в 500 раз выше, чем освещенность внешнего пространства луной[115]. Если при включенном комнатном освещении вы в темноте посмотрите в окно, то едва разглядите человека, заглядывающего в ваше окно снаружи. В лучшем случае вы увидите в окне свое отражение. А вот человек на улице увидит вас и всё происходящее в комнате очень отчетливо.
Можно и без штор
Большинство из нас защищают свою личную жизнь от посторонних глаз при помощи штор, жалюзи или даже ставень. Но у всех них есть существенные недостатки – в первую очередь тот факт, что нужно постоянно поддерживать их чистоту. Как хорошо было бы, если бы нам удалось избавиться от них и превращать окна из прозрачных в непрозрачные щелчком выключателя. Уже есть окна, в которых используются стекла, меняющие прозрачность и цвет. Они называются электрохромными (способными менять цвет) и работают по тому же принципу, что и аккумуляторные батареи в ноутбуках или смартфонах.
В аккумуляторных батареях есть два электрода (положительный и отрицательный, анод и катод) и расположенное между ними химическое вещество, называемое электролитом. Когда батарея заряжается, катионы лития (атомы без электронов) двигаются по электролиту в одном направлении, запасая энергию. Когда батарея отсоединена от зарядного устройства и используется в ноутбуке, ионы лития движутся в ней в обратном направлении, высвобождая энергию в форме электрического поля.
То же происходит и в электрохромных окнах – своеобразном очень тонком аналоге аккумуляторной батареи (между двумя листами стекла расположено три слоя активного химического вещества). Получается что-то вроде многослойного бутерброда. Два листа стекла выполняют функции положительного и отрицательного электродов. Три слоя в середине «бутерброда» устроены так: верхний – источник ионов лития, средний – электролит, который проводит ионы, а нижний – кристаллизованный оксид вольфрама, хорошо поглощающий ионы. Когда стекло работает в нормальном режиме, позволяя свету проходить сквозь него, ионы расположены в верхнем слое. Когда вы хотите затемнить окно и сделать его непрозрачным, вы поворачиваете выключатель. Под действием электрического поля ионы из первого слоя сквозь электролит начинают поступать в кристаллы оксида вольфрама и удерживаются ими. В результате стекло резко темнеет, свет сквозь него уже не проходит. Если пустить ток в обратном направлении, ионы начнут возвращаться в первый слой «бутерброда», и стекло снова станет прозрачным[116].
Черное и белое
Будучи подростками, я и мои ровесники мечтали об одной крутой штуке: фотохромных очках, стекла которых автоматически темнели при солнечном свете. Телереклама подобна гравитации: отрицать ее трудно, хотя и возможно. И вот когда я наконец купил такие очки на последние карманные деньги, то был весьма разочарован: они очень быстро темнели, но требовалось очень много времени на то, чтобы стекла опять посветлели. Хуже того, они не совсем нормально работали в закрытом пространстве (например, в машине) и по неведомой мне причине становились очень темными в холодные дни. К счастью, наука меня редко так разочаровывает, даже если практическое применение ее достижений оказывается неудачным.
Вы, видимо, знаете, что старомодная фотопленка (та, что продавалась в круглых черных коробочках и требовала проявки) работает на принципе использования галоидного серебра (простые химические соединения серебра), которое содержится в пластмассе. Когда свет попадает на пленку, галиды серебра превращаются в микроскопические кусочки серебра, затемняя участки, на которые падают лучи. Именно поэтому фотографический негатив «обратен» изображению. На нем светлые участки выглядят темными и наоборот. Опустите негатив в специальный химический состав, пропустите через него свет на специальную фотобумагу – и вы получите старомодную фотографию с использованием технологии, которую применял еще Уильям Талбот (известный английский физик и химик, 1800–1877) в XIX веке.
Кто изобрел фотохромное стекло?
Фотохромные очки работают по тому же принципу. В первых образцах использовалось настоящее стекло (не пластик), и изобретены они Уильямом Армистедом и Дональдом Стуки из компании Corning Glass в 1962 году[117]. Как и фотопленка, стекло содержало кристаллы галоидного серебра (примерно 0,1 % по массе), которые темнеют под воздействием света и светлеют в темноте. Почему так происходит? Ультрафиолет в солнечном свете вызывает химическую реакцию, которая превращает частички прозрачного галида серебра в непрозрачные кристаллы галоидного серебра, которые заставляют стекло темнеть (но не делают его непрозрачным) за минуту-другую. Если заглянуть в очках из такого стекла в темное помещение, где нет ультрафиолета, химическая реакция пойдет в обратном направлении и стекла очков посветлеют.
В современных фотохромных линзах (продающихся под названием Transitions) серебро и стекло не используются. Они изготавливаются на основе сложных пластмасс, называемых нафтопиранами (полиметилметакрилат), которые меняют структуру под воздействием ультрафиолета. В помещении их структура поглощает относительно мало света. На улице все иначе: ультрафиолет меняет их структуру так, что она поглощает значительно больше видимого света, затемняя линзы. На атомарном уровне множество молекул одновременно задерживает солнечный свет примерно так же, как ставни, закрывающие окна. Уберите ультрафиолетовое излучение – и молекулы пластика вернутся в первоначальную форму, открыв «ставни» перед вашими глазами.
Проблема фотохромных линз (стеклянных или пластиковых – не важно) в том, что работать их заставляет ультрафиолет. В солнечный день на улице его много, а через простое стекло в закрытое пространство его проникает мало. В автомашине или поезде оно почти отсутствует. И в помещениях фотохромные стекла очков почти не темнеют. Именно поэтому они почти бесполезны при вождении.