Композиционные материалы, или композиты – многокомпонентные сплошные материалы, позволяющие комбинировать полезные свойства их составляющих, стали уже незаменимыми для инфраструктуры человеческих сообществ. Особенность композитов в том, что они комбинируют в себе армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и связующую матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Композиционные материалы используются при строительстве (железобетон) и в двигателях внутреннего сгорания (покрытия на поверхностях трения и поршни), в авиации и космонавтике, при изготовлении броней и удилищ.
Но насколько стары композиты и как быстро они стали эффективными? Первое, что приходит на ум, – примитивные кирпичи из глины, но смешанные с соломой (которая является как раз «связующей матрицей»), использовавшиеся еще в Древнем Египте.
Однако эти конструкции были хотя и лучше современных некомпозитных аналогов, но все-таки очень несовершенными и потому недолговечными. Однако этим не ограничивается семейство «древних композитов». Китайским ученым удалось выяснить, что секрет древнего строительного раствора, обеспечивающего прочность Великой китайской стены перед напором веков, тоже лежит в области науки о композиционных материалах.
Древняя технология была весьма недешевой, но эффективной.
Строительный раствор изготовлялся с применением сладкого риса, главного компонента современных азиатских блюд. Группа профессора физической химии Бинцзяна Чжана выяснила, что строители использовали клейкий строительный раствор из риса уже 1,5 тыс. лет назад. Для этого рисовый бульон смешивали с обычными ингредиентами для раствора – гашеной известью (гидроксид кальция), получаемой при прокаливании известняка (карбонат кальция) при высокой температуре с последующим гашением полученного оксида кальция (негашеной извести) водой.
Возможно, рисовый строительный раствор был первым в мире полноценным композитным материалом, сочетавшим органические и неорганические компоненты.
Он был более прочным и устойчивым к дождям, чем обычный известковый раствор, и наверняка стал величайшим технологическим прорывом своего времени. Он использовался только при строительстве особенно важных конструкций: гробниц, пагод и городских стен, некоторые из которых сохранились до наших дней и выстояли под ударами нескольких мощных землетрясений и попыток сноса современными бульдозерами.
Ученым удалось выяснить и «действующее вещество» рисового раствора. Им оказался амилопектин – полисахарид, состоящий из разветвленных цепочек молекул глюкозы, один из основных компонентов крахмала.
«Аналитическое исследование показало, что раствор в древних каменных кладках – это органическо-неорганический композитный материал. Состав был установлен методами термогравиметрической дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием и сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что амилопектин формирует микроструктуру смеси с неорганической компонентой, что обеспечивает ценные строительные свойства раствора», – говорится в статье китайских исследователей.
В Европе, отмечают они, со времен древних римлян для придания дополнительной прочности строительному раствору использовали вулканическую пыль. Таким образом, они добивались устойчивости раствора к воде – он не растворялся в ней, а, наоборот, лишь твердел. Эта технология была распространена в Европе и Западной Азии, однако не использовалась в Китае, так как там просто не было необходимых природных материалов. Поэтому китайские строители вышли из положения, разработав органическую добавку на основе риса.
Кроме исторической ценности открытие важно и в практической плоскости. Приготовление тестовых количеств раствора показало, что он по сей день остается самым эффективным средством для реставрации древних зданий, где часто требуется заменить именно соединительный материал в кирпичной или каменной кладке.