Графен, нанотрубки и Храм Соломона: почему будущее имеет форму шестиугольника
Я люблю рассматривать снежинки. Не только в мороз, но и на фотографиях. Каждый раз меня поражает одно и то же: шесть лучей. Ни больше, ни меньше. Почему?
Потом я узнал, что пчелиные соты — тоже шестиугольники. А молекула самого прочного материала на Земле — графена — состоит из шестиугольников. А Храм Соломона, согласно библейскому описанию, имел шестиугольную структуру в своих пропорциях.
Совпадение? Или форма шестиугольника — это не случайность, а фундаментальный закон?
Часть 1. Почему шестиугольник — любимая форма природы
Начнем с математики. Если вы хотите замостить плоскость правильными многоугольниками без зазоров, у вас есть три варианта: треугольник, квадрат, шестиугольник.
Но из всех трех шестиугольник дает максимальную площадь при минимальном периметре. То есть на одну единицу «границы» приходится больше «внутренности».
Пример из жизни пчел:
- Пчелы строят соты из воска. Воск — ресурс дорогой (на его производство тратится много энергии).
- Если бы пчелы строили треугольные соты, им потребовалось бы больше воска на ту же площадь.
- Если бы квадратные — тоже.
- Шестиугольные — оптимальны.
Эволюция нашла это решение миллионы лет назад. Пчелы не знают математики, но строят математически правильно.
Другой пример — снежинка. Молекула воды при замерзании выстраивается в гексагональную решетку. Угол между связями атомов водорода и кислорода фиксирован — отсюда шесть лучей. Это не выбор природы, это физика кристаллической решетки.
Третий пример — панцирь черепахи. Узоры на нем — это мозаика из шестиугольников и пятиугольников (неправильных). Но стремится к шестиугольнику.
Итак, природа «любит» шестиугольник. А теперь перейдем к человеку.
Часть 2. Храм Соломона: шестиугольник в священной архитектуре
В Библии (Третья книга Царств, глава 7) описывается храм, построенный царем Соломоном в Иерусалиме. Одна из деталей: литое море (огромный бассейн для омовения священников) стояло на двенадцати волах, но сама форма бассейна — круглая.
Однако есть и другая деталь: храм имел шестиугольные элементы в планировке и декоре. Некоторые исследователи связывают это с «печатью Соломона» — гексаграммой (два перевернутых треугольника), которая вписана в шестиугольник.
Почему именно шестиугольник в священных текстах и архитектуре?
- Символ гармонии. Шесть — это число совершенства (в Библии мир создан за 6 дней, человек сотворен в 6-й день). Шестиугольник — фигура, в которой сочетаются круг (бесконечность) и квадрат (материя).
- Символ связи неба и земли. Шестиугольник можно вписать в круг (небо) и описать вокруг круга. Он — посредник.
- Символ единства. Шесть равносторонних треугольников, составляющих шестиугольник, сходятся в одной точке в центре.
Соломон не знал про графен и нанотрубки. Но он выбрал ту же форму, которую через тысячи лет найдет физика как самую устойчивую и энергетически выгодную.
Часть 3. Графен: шестиугольник, который прочнее алмаза
В 2004 году физики Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за открытие графена. Это один слой атомов углерода, соединенных в гексагональную решетку.
Свойства графена (и они поражают):
Свойство Значение Что это значит
Толщина 1 атом 0.3 нанометра
Прочность 130 ГПа В 200 раз прочнее стали
Электропроводность Лучше меди Электроны движутся как
безмассовые частицы
Теплопроводность Рекордная Лучше алмаза
Гибкость Прозрачный и Можно скручивать,
эластичный растягивать
Почему графен такой прочный? Потому что шестиугольная решетка распределяет нагрузку равномерно. Если потянуть за один атом, усилие передается по всем связям — точно так же, как в пчелиных сотах.
Где графен уже используется:
- Усиление композитов (добавка в пластик делает его сверхпрочным).
- Быстрая зарядка аккумуляторов (графеновые батареи заряжаются за минуты).
- Сверхчувствительные датчики (один атом графена может почувствовать присоединение молекулы газа).
А еще графен — это самый тонкий материал в мире. Один квадратный метр графеновой пленки весит меньше миллиграмма, но может выдержать вес кошки (если кошку равномерно распределить, конечно).
Часть 4. Нанотрубки: скрученный шестиугольник
Если взять лист графена и свернуть его в цилиндр, получится углеродная нанотрубка. Это та же шестиугольная решетка, но замкнутая в трубку.
Свойства нанотрубок (еще более фантастические):
- Прочность на разрыв выше, чем у стали, в сотни раз.
- Проводимость может быть металлической или полупроводниковой — зависит от того, как свернуть трубку (какой угол скрутки).
- Легкость: нанотрубка — практически «пустота» с углеродными стенками.
Где нанотрубки уже используются:
- В электродах для литий-ионных батарей (увеличивают емкость и скорость зарядки).
- В композитных материалах для самолетов (Boeing 787 использует нанотрубки в обшивке крыльев).
- В биомедицине (доставка лекарств: внутрь нанотрубки можно поместить молекулу препарата и направить к больной клетке).
И снова — шестиугольник. Свернутый, повторяющийся, бесконечный.