Я бы хотел рассказать историю, которая мне кажется удивительной и особенно примечательной тем, что культура человечества, история и моя наука — кристаллография — в ней оказываются самым причудливым образом переплетены. Речь идет о том, что человечество уже семь веков назад утратило оригинальный рецепт изготовления фарфора и этот рецепт был найден в XX веке стараниями немецкого кристаллографа Армина Вайсса. О его работе и этой истории я хотел бы рассказать.

Китайцы научились изготавливать фарфор примерно две тысячи лет назад. Китайцы очень любили и ценили фарфор. Иероглиф, которым они обозначали слово «фарфор», — это тот же иероглиф, которым обозначаются слова «мир», «драгоценный», «хрупкий».

Фарфор изготавливается из трех минералов: каолинита (минерал из группы глин), кварца и полевого шпата, образующего мелкие зернышки, которые как бы обволакиваются со всех сторон листочками слоистого минерала каолинита. Само название «каолинит» происходит от горы Каолин в Китае, где он был найден.

Рекомендуем по этой теме:
2633
Профессия — ученый: минералог

История изготовления фарфора вкратце такова. Научившись его изготавливать примерно во времена Ханьской династии, две тысячи лет назад, китайцы стали его экспортировать в больших количествах на запад от Китая: в Персию, Аравию, Византию. Особенно интенсивно во времена Танской династии ― это промежуток между VII и X веками, высшая точка расцвета Китая и высшая точка расцвета Великого шелкового пути. Фарфор пришелся по вкусу и персам, и арабам, и византийцам — он очень высоко ценился за границей. Мастерство изготовления фарфора росло, достигло высшей точки прямо перед монгольским завоеванием во времена династии Сун.

Фарфор, который изготовлялся в то время, славился своей полупрозрачностью, удивительной прочностью и тонкостенностью. Изделия из фарфора известны, даже сейчас вы можете их в музеях увидеть, и толщина изделия менее 0,4 миллиметра, то есть меньше 400 микрон. Такого рода изделия тем не менее обладают очень высокой прочностью.

В XIII веке пришли монголы, и в промежуток между 1205 и 1279 годами они подчинили себе весь Китай. Под монгольским игом, которое в Китае было непомерно тяжелым и длилось около столетия, китайцы забыли рецепт изготовления фарфора. Монголы были изгнаны в 1368 году, и сразу после этого китайцы решили вспомнить, как же они делали фарфор. Это им поначалу не удалось: первые изделия из фарфора, которые они пытались сделать, были исключительно плохого качества, ни в какое сравнение не шли с тем, что было до монголов.

Они пытались долго. К концу Минской династии, а это середина XVII века, китайцам удалось создать фарфор качеством сопоставимого с лучшими образцами прошлого и даже лучше. Но это был другой фарфор, другой продукт, который уже был основан не на каолините в качестве глинистого минерала, а на иллите — это другой минерал, который обладает гораздо большей прочностью. И технология была довольно суровая: они изготавливали изделия, а поскольку иллитовые изделия обладали большей прочностью, просто стальными скребками удаляли слои, и так достигалась тонкостенность. Это совсем не та технология и не тот материал, который использовался раньше.

Кстати, исследователи обнаружили, что фарфор, который делался до монгольского завоевания, делался не из лучших глин, а из довольно грубого каолинита. Тем не менее удавалось достичь высочайшего качества. При попытке восстановить рецепт изготовления фарфора династия Мин выбирала самое лучшее сырье на территории Китая, и это сырье объявлялось монополией императорского правительства. Эти тонкостенные изделия, требовавшие колоссального, нечеловеческого труда, изготавливались лично по заказу императора. Это были единичные изделия, так что можно сказать, что фарфор, который был до монгольского ига, китайцами был безвозвратно потерян, технологию его изготовления китайцы так и не восстановили. Так продолжалось долгие семь столетий ― с монгольского завоевания по XX век.

История оказалась достаточно необычной. В 1960-е годы немецкий исследователь, кристаллограф, химик Армин Вайсс отдыхал в Баварском лесу — у человека был отпуск. Неподалеку от места его отдыха строили хлев ― рыли яму, для того чтобы там расчистить пространство. И при рытье обнаружился каолинит ― тот самый глинистый минерал. Вайсс взял образцы на пробу, исследовал их и обнаружил удивительную вещь: это был не совсем каолинит, а интеркаляционное соединение каолинита и мочевины. Каолинит — это слоистый минерал, в котором очень прочные слои, силикат на слое из атомов алюминия и кислорода — прочная кольчуга. Слои этой кольчуги разделены вакуумом, и между слоями действуют слабые водородные и вандерваальсовы связи. Расстояние между этими двумя слоями этого «сэндвича» ― 7 ангстрем (один ангстрем — это 10-10 метра). Но если туда вставить молекулу мочевины, то расстояние растет до 10, а то и 11 ангстрем, то есть существенно увеличивается, и связь между слоями становится гораздо слабее.

Оказалось, что на том месте, где рыли хлев в Баварском лесу, раньше стояла выгребная яма, в которую сваливали навоз и жидкие отходы жизнедеятельности скота. За долгое-долгое время эта мочевина просочилась, пропитала каолинит и привела к образованию этого интеркаляционного соединения каолинита и мочевины. Интеркаляционные соединения — это соединения, в межслоевое пространство которых вы вставляете дополнительные атомы или молекулы, которые затем можно обратимо оттуда удалить.

И вот при чем тут фарфор. Оказалось, что, увеличив межслоевое расстояние, вы с большей легкостью можете отделить слои каолинита друг от друга. Примерно то же самое, как когда Новоселов и Гейм отделили графен скотчем. Вы фактически можете эту структуру разорвать на элементарные слои, состоящие всего лишь из одного элемента кольчуги. Но оказалось, что этот процесс достаточно капризный. В некоторых летописях указывается, что китайцы перед изготовлением фарфора свой каолинит действительно старили, как бы мариновали его в моче. По некоторым указаниям этот процесс длился до ста лет. На самом деле этот процесс можно совершить гораздо быстрее.

Армин Вайсс, вооруженный этим новым знанием, решил изготовить свой фарфор. И он стал перетирать вымоченный в моче и других веществах каолинит. Он изучал интеркаляционные соединения с мочевиной, с формальдегидом, с аммонием и так далее. Все они показывали похожее поведение. Оказалось, что в зависимости от того, как вы перетираете каолинит, результат будет совсем разный. Если вы, например, перетираете его в шаровой мельнице, которой китайцы, кстати, не знали, то разделить на элементарные слои у вас не получится. Но если вы его разбиваете молотком ― вполне старомодная технология, ― растираете в ступке, то можно достичь очень-очень тонкого расслоения листочков каолинита. И затем, если вы будете спекать его вместе с кварцем, с полевым шпатом, получите фарфор исключительной прочности. Прочность вашего фарфора можно повысить в несколько раз такой простой операцией, как вымачивание в моче. Но процесс капризный, после вымачивания ни в коем случае нельзя мыть — много разных аспектов. Таким образом, понятно, как такой рецепт можно было потерять: уберите любой из этих элементов (старение, невымывание образцов, тип растирания) — и все, как карточный домик, посыплется.

Рекомендуем по этой теме:
20509
Дизайн новых материалов

Сейчас у людей есть правдоподобный рецепт того, как изготавливали фарфор вплоть до монгольского ига в Китае. Рецепт этот был переоткрыт благодаря тому, что наблюдательный ученый оказался в отпуске в Баварском лесу и что этот ученый был кристаллографом. Вот так кристаллография помогла восстановить древний рецепт изготовления удивительного по своей красоте и прочности фарфора.