Высокую прочность древних стен Китая обеспечивал рисовый отвар, который строители добавляли в известковый раствор. Смесь, содержащая углевод амилопектин, возможно, была первым в мире органо-неорганическим композиционным материалом.
Композиционные материалы, или композиты – многокомпонентные твердые материалы, позволяющие сочетать полезные свойства их компонентов, уже стали незаменимыми для инфраструктуры человеческих сообществ. Особенность композитов состоит в том, что они сочетают в себе армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и связующую матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Композиционные материалы используются в строительстве (железобетон) и в двигателях внутреннего сгорания (покрытия на трущихся поверхностях и поршнях), в авиации и космонавтике, при изготовлении брони и шатунов.
Но сколько лет композитам и как быстро они стали эффективными? Первое, что приходит на ум, — примитивные кирпичи из глины, но с примесью соломы (которая и является «связующей матрицей»), использовавшиеся в Древнем Египте.
Однако хотя эти конструкции и были лучше современных некомпозитных аналогов, они все же были весьма несовершенны и поэтому недолговечны. Однако этим семейство «древних композитов» не ограничивается. Китайским ученым удалось выяснить, что секрет древнего раствора, обеспечивающего прочность Великой Китайской стены против давления веков, также лежит в области композитного материаловедения.
Древняя технология была очень дорогой, но эффективной.
Раствор был приготовлен из сладкого риса, основного продукта современных азиатских блюд. Группа профессора физической химии Бинцзян Чжан обнаружила, что еще 1,5 года назад строители использовали клейкий раствор, приготовленный из риса. Для этого рисовый отвар смешивали с обычными ингредиентами для раствора – гашеной известью (гидроксидом кальция), полученной путем прокаливания известняка (карбоната кальция) при высокой температуре с последующим гашением образовавшегося оксида кальция (негашеной извести) водой.
Возможно, рисовый раствор был первым в мире полным композитным материалом, сочетающим в себе органические и неорганические компоненты.
Он был прочнее и устойчивее к дождю, чем обычный известковый раствор, и, безусловно, был величайшим технологическим прорывом своего времени. Его использовали только при строительстве особо важных сооружений: гробниц, пагод и городских стен, некоторые из которых сохранились до наших дней и выдержали несколько мощных землетрясений и попытки сноса современными бульдозерами.
Ученым удалось выяснить «действующее вещество» рисового раствора. Им оказался амилопектин — полисахарид, состоящий из разветвленных цепочек молекул глюкозы, одного из основных компонентов крахмала.
«Аналитическое исследование показало, что раствор в древней кладке представляет собой органо-неорганический композиционный материал. Состав определяли методами термогравиметрической дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что амилопектин образует микроструктуру смеси с неорганическим компонентом, что обеспечивает ценные строительные свойства раствора», — говорится в статье китайских исследователей.
В Европе, отмечают они, еще со времен древних римлян вулканическая пыль использовалась для придания прочности строительному раствору. Таким образом они добились устойчивости раствора к воде – он не растворялся в ней, а, наоборот, только затвердевал. Эта технология была широко распространена в Европе и Передней Азии, но не использовалась в Китае, так как там просто не было необходимых природных материалов. Поэтому китайские строители вышли из ситуации, разработав органическую добавку на основе риса.
Помимо исторической ценности, открытие имеет и практическое значение. Приготовление опытных количеств раствора показало, что он остается наиболее эффективным средством при реставрации старинных построек, где часто приходится заменять соединительный материал в кирпичной или каменной кладке.