Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Миллион за синий свет

Что-то засиделись мы с вами за разговорами. За окном уже стемнело, поздно, пора спать. Надо выключать свет. Стоп — лампочка! Как же мы забыли про неё? Из чего она сделана? Это зависит от того, какая лампочка светится в вашем торшере или ночнике. Скорее всего — лампа накаливания. Она сделана из круглой стеклянной колбы, а внутри у неё находится тонкая спираль из металла по имени вольфрам. Включая лампочку, мы пускаем по спирали ток. Он разогревает металл, металл раскаляется добела и испускает свет. Вот почему эти источники света называют лампочками накаливания. Правда, большая часть электричества уходит на разогрев спирали, поэтому лампочка такая горячая, если она долго была включена. (Только не надо проверять мои слова, можно обжечься!) И лишь малая часть энергии превращается в свет. Поэтому про такие лампочки специалисты говорят, что они неэкономичные: энергии едят много, а света дают мало.

Но с недавних пор всё переменилось, потому что учёные подарили людям светодиоды. По сути, это минералы, которые начинают светиться, как вольфрам, если через них пропускать ток. Только они совсем не разогреваются и почти всю электрическую энергию преобразуют в свет.

О том, что минерал можно превратить в источник света, впервые сообщил миру русский физик Олег Владимирович Лосев. В 1923 году он заметил, что если через кристалл карборунда, или карбида кремния, состоящего из атомов кремния и углерода, пропускать электрический ток, то в местах контактов появляется слабое зеленоватое свечение. Так оказалось, что минералы, обладающие свойствами полупроводника, могут светиться. Их и назвали светодиодами.

Спустя сорок лет светодиоды уже вовсю мигали красными и жёлтыми огоньками на разных пультах управления и в световых индикаторах. Одно плохо — не было светодиодов синего, зелёного и белого света. И ждать их создания, по меркам нашего времени бурного технического прогресса, пришлось довольно долго.

Лишь в 1990 году профессор Сюдзи Накамура придумал, как выращивать тончайшие и безупречные по качеству плёнки из вещества под названием нитрид галлия (состоит из атомов галлия и азота). Чем тоньше такая плёнка, чем меньше в ней дефектов, тем ярче и чище свет она дает.

А потом из таких плёнок, начинённых добавками индия, С. Накамура сумел приготовить слоёный пирог, который физики называют гетероструктурой. Кстати, одним из первых такие структуры получил российский физик Жорес Иванович Алфёров, за что в 2000 году ему присудили Нобелевскую премию по физике. И оказалось, что в зависимости от чередования слоёв, такой «пирог» при прохождении тока дает яркий синий или зелёный свет. А когда С. Накамура нанёс на синий светодиод тонкий слой фосфора, диод засветился ярким белым светом. С тех пор вся светодиодная «радуга» была в сборе.

Синий светодиод сравним по размеру со спичечной головкой

Профессор Сюдзи Накамура в 2006 году получил премию «Миллениум» (миллион евро) за создание синих и белых светодиодов. В руках он держит указку, работающую на синем светодиоде

Светодиоды всех цветов уже несут свет человечеству в панелях автомобилей, самолётов и бытовых приборов, в светофорах и уличных фонарях, в больших рекламных уличных экранах и ёлочных гирляндах, во вспышках камер и мобильных телефонов. Вот и мой ноутбук подмигивает мне ярко-синими и зелёными светодиодами, напоминая о профессоре Накамуре и нашей с ним встрече.

Случилась она в 2006 году, когда С. Накамуре вручали премию «Миллениум» размером в миллион евро. Эту международную премию присуждают каждые два года. Предыдущим лауреатом был англичанин Тим Берненс-Ли, создатель Всемирной паутины — Интернета. Вообще, эта премия предназначена тем учёным, кто создал технологии, изменившие жизнь человечества к лучшему. На церемонии награждения, которая проходила в Хельсинки, мы познакомились, и у меня была возможность поговорить с профессором.

Прежде всего я поинтересовалась, знает ли он, что идея светодиодов родилась в России, в лаборатории Лосева. Оказалось, что профессор ничего не знает об этом. Он с интересом выслушал мой рассказ и поблагодарил за это «открытие». А потом, в конце разговора, я поинтересовалась, почему он выбрал профессию учёного. И выяснилось, что все дело в комиксах! «Когда мне было десять-двенадцать лет, я читал комиксы, которые назывались «Астробой», — рассказал С.Накамура. — Астробой — это такой робот, которого сконструировал учёный, доктор Отяномицу для борьбы с плохими мальчишками и тёмными силами. И вот тогда я очень захотел стать таким же учёным, как Отяномицу, чтобы делать таких же роботов для борьбы со злом».

Не знаю, сколь успешна борьба профессора Накамуры со злом, но вот его белые светодиоды побеждают сегодня лампы накаливания по всем статьям. Они работают в сто раз дольше обычной лампы накаливания, которая быстро перегорает. Они не содержат никаких подвижных частей, стекла, нитей накаливания. Они маленькие — стандартный размер пять миллиметров, и для работы им требуется всего лишь батарейка в три вольта (значит, они могут питаться от солнечных батарей). Они не греются и не содержат никаких токсичных компонентов вроде ртути. А главное, они преобразуют электричество в свет с 90%-ной эффективностью в отличие от ламп накаливания, у которых коэффициент полезного действия, как у паровоза, — пять процентов.

В США планируют к 2020 году полностью заменить обычные лампы накаливания на светодиоды. Это должно принести колоссальную экономию электроэнергии. Значит, уменьшатся потребление нефти, компоненты которой сжигают на тепловых электростанциях, чтобы получить электричество, и выбросы диоксида углерода в атмосферу, который образуется при сжигании топлива. А в основе всего лежат относительно простые вещества, получаемые из минералов, взятых в земле.

Ну что ж, давайте подведём итог. Веществ, которые человек заимствует у земли, конечно, гораздо больше, чем мы описали в этой главе. Но и этих примеров достаточно, чтобы лишний раз убедиться в величии природы. Какой же она всё-таки фантастический, виртуозный химик! Как она умеет, растворяя и смешивая, сдавливая и разогревая, испаряя и кристаллизуя, комбинировать разные атомы и молекулы и создавать невероятный по богатству набор веществ. Даже одно вещество она умеет приготовить в разных видах. Углерод является нам в облике графита, сажи и алмаза, карбонат кальция — в облике известняка, мела и мрамора, оксид алюминия — в виде глины и россыпи драгоценных камней, рубинов и сапфиров, диоксид кремния — в виде обычного песка, кварца, горного хрусталя, опала, халцедона, агата, яшмы... А мы берём все это беззастенчиво, перерабатываем и украшаем свою жизнь, делаем её комфортной и удобной.

Глава 5. Зачем же так глубоко копать? Просто протяни руку!