Строим дом из газосиликатных блоков своими руками: как построить самому и класть стены

Строим дом из газосиликатных блоков. Этапы строительства дома

Все чаще наши соотечественники строят дома из газосиликатных блоков. И это не случайность. Ведь этот материал имеет много положительных качеств. С ним могут работать даже те, кто не является профессиональными каменщиками. Построить теплый и надежный дом из газосиликата под силу практически каждому, кто готов приобрести подобный опыт.

Существует расхожее мнение, что благодаря малому весу блоков, можно сэкономить на фундаменте и сделать его менее мощным. Это заблуждение, т.к. при своей легкости газосиликат обладает низким пределом прочности на изгиб. Из-за этого стены могут потрескаться. По этой причине фундамент нужно делать крепким и основательным, чтобы он мог обеспечить стабильную геометрию дома.

Фундамент

Железобетонная плита, которая подходит для большинства грунтов, является идеальным решением в качестве фундамента газосиликатного дома. Если подобное сооружение выглядит слишком дорогим, то можно прибегнуть к монолитному ленточному фундаменту на песчаной подушке. В некоторых случаях допускается применение столбчатого фундамента, обвязанного жби поясом.

Поскольку блоки из газосиликата гигроскопичны, первый ряд нужно располагать на некотором расстоянии от почвы.

• Можно залить фундамент, поднимающийся над уровнем земли, установив соответствующую опалубку.
• В случае, когда фундамент заливается по уровню грунта, можно выложить несколько рядов керамического красного кирпича. Желательно располагать первый рад блоков на высоте от 50 см.

Гидроизоляция

Итак, приступаем к гидроизоляции. На залитый фундамент или же цоколь раскатываются в 2-3 слоя рубероид либо используем другой гидроизоляционный материал.

Первый ряд газосиликатных блоков

Первый ряд газосиликатных блоков укладывается при помощи обычного цементного раствора, а вертикальные швы заполняем специализированным клеем для укладки газосиликата. При этом не стоит спешить. От того, насколько качественно уложены блоки в этом ряду, зависит качество всей стены.

Итак, первыми укладываются блоки по углам. Когда они установлены, по уровню натягивается веревка. Гвоздики, к которым она привязана, можно вбивать прямо в блоки. После этого можно выкладывать ряд.

По ходу работы нужно следить за тем, чтобы блоки ложились ровно, и выдерживать выставленный уровень. При этом ровнять их можно при помощи большого резинового молотка. Он не поколет поверхность и поможет подогнать непослушный блок на место.

Когда ряд выложен, нужно проверить его поверхность, чтобы не было неровностей. Если таковые обнаружены, то нужно устранить имеющиеся выступы и бугры. Если это не сделать, блоки последующих рядов, лежащие на выпуклостях, могут треснуть.

Часто при завершении ряда требуется изготовить доборный блок. Для этого применяются специальные пилы для работы по газобетону. Удобно использовать ножовки с крупным зубом. Они имеют твердосплавные пластинки на верхушках зубьев. Есть и электрические пилы. Чаще всего они нужны профессиональным бригадам, работающим на крупных объектах. Обычные ножовки использовать можно, но недолго. Они быстро выходят со строя.

Последующие ряды

Второй и последующие ряды кладутся на специализированный клей. При этом толщина швов получается 2-3 мм. Клеевая смесь замешивается в емкостях дрелью со специальной насадкой. Можно применить и перфоратор. Наносить клей нужно при помощи обычного мастерка или зубчатого шпателя.

Важно! Перед нанесением клеевой смеси нужно удалить с поверхности пыль. Смачивать блоки водой нет необходимости.

Когда укладывается доборный блок, клей наносится не только на уже уложенные блоки, но и на укладываемый доборный.

Некоторые применяют в ходе кладки цементный раствор, думая, что это обойдется дешевле. Здесь важно внимательно все посчитать:

• Итак, цементный раствор кладется толщиной в 10 мм. Это на порядок снижает теплоизоляционные свойства газосиликата. Цементные швы будут служить тепловыми насосами, выкачивающими тепло из дома наружу.
• Да, клей стоит дороже раза в два. Но расходуется он в 5 – 6 раз меньше. Итак, стоимость цементного раствора умножаем на 2 и делим на 5 (6). Что получается? А получается, что выгоднее все-таки использовать клей. И впоследствии это приведет к уменьшению расходов на отопление.
• Преимущество клея заключается еще и в том, что он позволяет гораздо быстрее и ровнее выполнять кладку.

Одного 25-киллограмового мешка клеевой смеси хватает на 20 блоков с габаритами 600х200х300 мм. Это в пересчете составляет 0,7-0,8 м³ кладки.

При укладке блоков верхний ряд должен иметь перевязку вертикальных швов не меньше чем в 10 см.

Армирование стен

Армирование, к слову сказать, не влияет на несущую способность возводимых стен. А для чего оно нужно? Для того чтобы брать на себя и перераспределять изгибающие нагрузки, которые появляются в стене при неравномерном движении фундамента. Арматура не дает расходиться стенам в горизонтальной плоскости и предотвращают появление трещин.

В обычных ситуациях, т.е. если ваш дом стоит не на вершине постоянно движущегося холма, армирование не делается, когда впоследствии предполагается выполнять наружную отделку сайдингом, а внутреннюю гипсокартоном. В этом случае достаточно сооружения монолитного армопояса на уровне перекрытий, а также под мауэрлатом.

При армировании в верхней грани газосиликата прорезается штроба. Ее можно сделать как ручным, так и электрическим штроборезом. В штробу закладывается 2 арматурных 8-миллиметровых прута. При этом непосредственно перед их укладкой штроба заполняется клеем. Это позволяет выполнить совмещение арматуры со стеной и защищает металл от коррозии.

Закладывать арматуру нужно в первый ряд кладки и потом через каждые 4 ряда. Обязательно нужно укладывать армирующую связку в ряду, на который опираются оконные и дверные перемычки, а также не доходя на один ряд до оконных проемов. Армирование производится на 90 – 100 см в сторону от каждого края проема.

Кроме арматуры возможно применение специальных арматурных каркасов для тонких швов. Они изготавливаются в виде парной полосы из оцинкованной стали и имеют сечение 8х15 мм. Соединение выполнено в виде «змейки» из полуторамиллиметровой проволоки.

Перемычки оконных и дверных проёмов

Существует два распространенных способа изготовить перемычек проемов:

• 1. Узкие проемы (ширина до 1,5 м) выполняются при помощи металлических уголков (90х90). Блоки укладываются на них. При этом уголки должны опираться на блоки простенков не менее чем на 25 см. Под уголки выполняются пропилы, чтобы не создавались перепады по высоте. Для этого можно применять болгарку и алмазный диск. Уголки перед закладкой в стену нужно покрасить, чтобы предотвратить коррозию металла. Во время работ чтобы не было искажений в геометрии, в проемы вставляются распорки, выполненные из бруса 50х100.
• 2. Широкие проемы, длина которых превышает полтора метра, выполняются путем заливки монолитной жби перемычки, которую располагают на высоту от 200 мм. Такой подход приходится применять также и в ситуациях, когда плита перекрытия уже, чем существующий проем. Опалубка изготавливается из обрезной доски или фанеры. Также можно использовать U-образные блоки.
• 3. Применяются готовые перемычки из газосиликата, изготовленные на заводе.

Перемычки должны опираться на простенки не менее чем на 25 см. Для арматурного каркаса достаточно взять 4-6 прутов Ø 12-14 мм. После заливки опалубка вместе с подпорками убираются через 20 суток после заливки бетонного раствора.

Перекрытия и стропильная ферма крыши

Перекрытие может быть сборным ж/б, монолитным, деревянным. Кровля плоская или скатная.

Под мауэрлат изготавливается армирующий пояс. Его толщина должна быть не менее 10 см. Для него изготавливается опалубка из все тех же образных досок или же имеющейся прочной фанеры. При этом нужно следить за горизонтальным уровнем верхней кромки. Армирование выполняется при помощи двух 12-миллиметровых прутьев. Важно, чтобы они были расположены в толще бетона, а не лежали на блоках.

При этом есть один нюанс. Когда не предполагается внешнее утепление стен, залитый во всю ширину пояс, будет промерзать и вытягивать тепло из дома. Здесь будет скапливаться конденсат и появится сырость. Чтобы этой неприятности не произошло, нужно перед тем, как заливать раствор, вложить пенопласт. Десятки вполне хватит. Когда будут выполняться штукатурные работы, он закроется, и будет все в порядке.

Строительство своего дома – это захватывающее приключение и бесценный опыт. Дорогу осилит идущий. В одной статье невозможно рассказать обо всех тонкостях строительного дела. Однако мы надеемся, что предложенная вам информация поможет вам построить дом вашей мечты.

Строим дом своими руками из газосиликатных блоков

Главная » Материалы для дачи.

Если говорить о возведении частного дома, то в его строительстве можно выделить три основных этапа, последовательных, следующих друг за другом, разделяемых по времени, т.е. между ними обязательно должен быть промежуток времени для стабилизации процессов, полностью взаимосвязанных и, тем не менее, допускающих комбинаторику. Это закладка фундамента — основа здания, затем возведение стен – строительство самого дома, и обустройство крыши, защитной системы всего строения. Согласитесь, что любая крыша прекрасно защищает от непогоды и каменный дом и сруб, а столбчатый фундамент подходит для различных строений, например, столбчатое основание с ростверком удержит и монолитную кладку. Поэтому не будем вдаваться в детали и попробуем, опустив первый и завершающий этапы, рассмотреть лишь положительные и отрицательные моменты основного — строительства дома из газосиликатных блоков своими силами.

Газосиликатный блок – это уникальный в своем роде строительный материал, сочетающий в себе прочностные характеристики камня и высокую теплоемкость древесины. Хочется воспеть очередную оду тому человеку, добавившему при изготовлении силикатного кирпича в известь алюминиевую пудру, которая взаимодействуя с реагентом, способствует выделению газов, в виде многого количества пузырьков, образуя полости внутри монолита. Другими словами получается искусственный пористый камень, обладающий большим количеством технологических достоинств, таких как легкий вес, способность «дышать», не имеющий монтажной усадки, хорошую звуко и теплоизоляцию, не горючесть, а главное, возможность обработки поверхности ручными режущими инструментами.

Как и с закладным венцом, укладке первого ряда блоков уделяем особое внимание, не забыв на фундамент уложить слой гидроизоляции, например, из двух слоев рубероида. Укладываем по углам и на «сухую», без раствора, 4 блока, тщательно вымеряя проектную длину, ширину и прямоугольность установки, диагонали должны совпадать до сантиметра. Выставив угловые блоки, монтируем их на раствор, выверяя монтаж по «сухим» камням. Пористость, следовательно, и небольшой вес газосиликата, позволяет делать блоки больших размеров, а заводской распил монолита на отдельные камни позволяет использовать поверхности в качестве базовых, поэтому прикладывая к ним строительный уровень, добиваемся полной горизонтальности и вертикальности укладки.

Выложив первый ряд по всему периметру дома, аналогично заводим углы последующих рядов. Теперь заводить углы можно на несколько рядов в высоту, контролируя работу по первому ряду. Не имеет смысла описывать процесс кладки, он обычный, только быстрее и нагляднее, с обязательной перевязкой швов, т.е. верхний камень обязательно опирается на два нижних, и если вертикальный шов совпадает или расстояние минимальное, например, внизу тычковый ряд или две половинки, то на три.

При условии, что этот материал способен впитывать атмосферную влагу, перед укладкой его необходимо смочить. Не замачивать, как при кладке печей, а немного смачивать, например, протирая хорошо смоченной тряпкой. Кладка внешних стен в мокрую погоду не допускается, так как ячеистая структура блока способна накапливать ее, а перепад температур в дальнейшем может разрушить материал, поэтому хранение должно исключать попадание влаги, но перед укладкой она нужна, для адгезии и глубины диффузии.

Особенностью работ можно считать дополнительную подготовку предыдущего ряда, с него необходимо удалять все монтажные наплывы и наросты. Напомню, что кладка ведется с малой толщиной швов, поэтому желательно сразу зачищать ручками поверхность металлической щеткой и мастерком, не разглаживая и затирая излишки, а срезая. Удачным решением является использование железного рубанка для удаления уже застывшего клея или раствора. Работая рубанком, мы немного срезаем неизбежные неровности кладки, приводя общую горизонтальную линию монтажа к прямой.

Не маловажным является проверка качества приготовления газосиликатного клея. Необходимо придерживаться инструкции разведения сухой смеси, а нанося ее зубчатым шпателем на опытный образец, наблюдают, с какой легкостью состав проходит сквозь зубцы и как формируются бороздки, причем у качественной смеси они не должны сливаться.

Монтаж крыши ведут после набора стенами дома необходимой прочности.

• Расчет материалов для строительства дома
• Каркас дома

Что пепел умирающей звезды говорит нам о рождении нашей Солнечной системы — ScienceDaily

Группа исследователей под руководством Аризонского университета обнаружила крупицу пыли, образовавшуюся в предсмертной агонии давно ушедшей звезды.

Это открытие бросает вызов некоторым современным теориям о том, как умирающие звезды засевают вселенную сырьем для формирования планет и, в конечном счете, молекул-предшественников жизни.

Крошечное пятнышко, спрятанное внутри хондритового метеорита, собранного в Антарктиде, представляет собой настоящую звездную пыль, которая, скорее всего, была выброшена в космос взорвавшейся звездой еще до того, как появилось наше Солнце. Хотя считается, что такие зерна являются важным сырьем для смеси, из которой сформировались Солнце и наши планеты, они редко выдерживают беспорядки, сопровождающие рождение Солнечной системы.

«Как настоящая пыль от звезд, такие досолнечные зерна дают нам представление о строительных блоках, из которых сформировалась наша Солнечная система», — сказал Пьер Энекур, ведущий автор статьи, которая запланирована для предварительной онлайн-публикации на веб-сайте Nature Astronomy . 29 апреля. «Они также дают нам прямой снимок условий в звезде в то время, когда это зерно формировалось».

Пылинка, получившая название LAP-149, представляет собой единственную известную совокупность графитовых и силикатных зерен, которую можно отнести к определенному типу звездного взрыва, называемому новой звездой. Примечательно, что он пережил путешествие через межзвездное пространство и попал в регион, который станет нашей Солнечной системой около 4,5 миллиардов лет назад, а возможно, и раньше, где он застрял в примитивном метеорите.

Новые звезды — это двойные звездные системы, в которых остаток ядра звезды, называемый белым карликом, находится на пути к исчезновению из Вселенной, а его компаньон — либо маломассивная звезда главной последовательности, либо красный гигант. Затем белый карлик начинает высасывать материал из своего раздутого компаньона. Как только он накапливает достаточное количество нового звездного материала, белый карлик снова воспламеняется периодическими вспышками, достаточно сильными, чтобы создавать новые химические элементы из звездного топлива и извергать их глубоко в космос, где они могут путешествовать к новым звездным системам и включаться в свое сырье. .

Вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная состояла только из водорода, гелия и следов лития, звездные взрывы способствовали химическому обогащению космоса, в результате чего появилось множество элементов, которые мы наблюдаем сегодня.

Воспользовавшись современным оборудованием для ионной и электронной микроскопии Лунной и планетарной лаборатории UA, исследовательская группа под руководством Хенекура проанализировала частицы пыли размером с микроб до атомарного уровня. Крошечный посланник из космоса оказался действительно инопланетянином — он был сильно обогащен изотопа углерода под названием 13C.

«Изотопный состав углерода во всем, что мы когда-либо отбирали из любой планеты или тела в нашей Солнечной системе, обычно варьируется в 50 раз», — сказал Энекур, который присоединится к Лунной и планетарной лаборатории в качестве ассистента. профессор осенью. «13C, который мы обнаружили в LAP-149, обогащен более чем в 50 000 раз. Эти результаты предоставляют дополнительные лабораторные доказательства того, что как углеродные, так и кислородные зерна от новых звезд внесли свой вклад в строительные блоки нашей Солнечной системы».

Хотя их родительские звезды больше не существуют, изотопный и химический составы и микроструктура отдельных зерен звездной пыли, идентифицированных в метеоритах, обеспечивают уникальные ограничения на формирование пыли и термодинамические условия в звездных выбросах, пишут авторы.

Подробный анализ раскрыл еще более неожиданные секреты: в отличие от подобных пылинок, которые, как считается, образовались в умирающих звездах, LAP-149 является первым известным зерном, состоящим из графита, содержащего силикатное включение, богатое кислородом.

«Наша находка позволяет нам заглянуть в процесс, который мы никогда не могли наблюдать на Земле», — добавил Энекур. «Это говорит нам о том, как пылинки формируются и перемещаются внутри, когда они выбрасываются новой. Теперь мы знаем, что углеродсодержащие и силикатные пылинки могут образовываться в одном и том же выбросе новой, и они переносятся через химически разные сгустки пыли внутри ejecta, то, что было предсказано моделями новых звезд, но никогда не обнаруживалось в образцах».

К сожалению, LAP-149не содержит достаточного количества атомов, чтобы определить его точный возраст, поэтому исследователи надеются найти в будущем подобные, более крупные экземпляры.

«Если бы мы когда-нибудь могли датировать эти объекты, мы могли бы получить лучшее представление о том, как наша галактика выглядела в нашем регионе и что вызвало формирование Солнечной системы», — сказал Том Зега, научный директор UA Kuiper Materials Imaging and Центр характеристики и доцент Лунной и планетарной лаборатории и Департамента материаловедения и инженерии UA. «Возможно, своим существованием мы обязаны близкому взрыву сверхновой, сжимающему облака газа и пыли своей ударной волной, зажигающему звезды и создающему звездные ясли, подобно тому, что мы видим на знаменитом снимке Хаббла «Столпы творения»».

Метеорит, содержащий крупинку звездной пыли, является одним из самых нетронутых метеоритов в коллекции Лунно-планетарной лаборатории. Классифицированный как углеродистый хондрит, считается, что он аналогичен материалу на Бенну, целевом астероиде миссии OSIRIS-REx под руководством UA. Взяв образец Бенну и доставив его на Землю, команда миссии OSIRIS-REx надеется предоставить ученым материал, который практически не изменился с момента образования нашей Солнечной системы.

До тех пор исследователи полагаются на редкие находки, такие как LAP-149, который пережил взрыв взрывающейся звезды, попал в коллапсирующее облако газа и пыли, которое станет нашей Солнечной системой, и превратился в астероид, прежде чем упасть на Землю.

«Это замечательно, если подумать обо всех путях, которые должны были убить это зерно», — сказал Зега.

Почему карбон? — Сеть блогов Scientific American

Роберт Хейзен — один из пяти экспертов-спикеров в круизе Scientific American, посвященном 175-летию, в Америку в марте 2020 года. Для получения дополнительной информации о нашем круизе, посвященном 175-летию, включая подробный маршрут, описания семинаров и биографии докладчиков, нажмите здесь.

Оглянитесь вокруг. Углерод повсюду: в бумаге каждой книги, в чернилах на ее страницах и в клее, который ее скрепляет; в подошвах и коже вашей обуви, синтетических волокнах и ярких красках вашей одежды, а также в тефлоновых молниях и лентах на липучке, которые их застегивают; в каждом кусочке еды, который вы едите, в пиве и выпивке, в газированной воде и игристом вине; в коврах на полу, краске на стенах и плитке на потолке; в топливе от природного газа до бензина и свечного воска; из прочного дерева и полированного мрамора; в каждом клее и каждой смазке; в свинце карандашей и бриллианте колец; в аспирине и никотине, кодеине и кофеине и во всех других наркотиках, которые вы когда-либо принимали; в каждом пластике, от продуктовых пакетов до велосипедных шлемов, от дешевой мебели до дизайнерских солнцезащитных очков. От вашей первой детской одежды до гроба с шелковой подкладкой вас окружают атомы углерода.

Углерод дает жизнь: ваша кожа и волосы, кровь и кости, мышцы и сухожилия зависят от углерода. Кора, лист, корень и цветок; фрукты и орехи; пыльца и нектар; пчела и бабочка; Доберман и динозавр — все содержат необходимый углерод. Каждая клетка вашего тела — по сути, каждая часть каждой клетки — опирается на прочный углеродный остов. Углерод материнского молока становится углеродом бьющегося сердца ее ребенка. Углерод — это химическая сущность глаз, рук, губ и мозга вашего возлюбленного. Когда вы дышите, вы выдыхаете углерод; когда вы целуетесь, атомы углерода обнимаются.

Вам было бы проще перечислить все, к чему вы прикасаетесь, что не содержит углерода — алюминиевые банки в вашем холодильнике, кремниевые микрочипы в вашем iPhone, золотые пломбы в ваших зубах и прочие странности, — чем перечислять даже 10 процентов углеродосодержащих предметов. в вашей жизни. Мы живем на углеродной планете, и мы — углеродная жизнь.

Каждый химический элемент особенный, но некоторые элементы более особенные, чем другие. Из всех разнообразных обитателей периодической таблицы углерод, шестой элемент, уникален по своему влиянию на нашу жизнь. Углерод — это не просто статический элемент «материала». Углерод обеспечивает наиболее важную химическую связь в огромном пространстве и времени — ключ к пониманию космической эволюции. В течение почти 14 миллиардов лет Вселенная развивалась, усложнялась и становилась все более богатой, с кажущимся бесконечным увлекательным и причудливым поведением.

Углерод лежит в основе этой эволюции, определяя возникновение планет, жизни и нас. И больше, чем любой другой ингредиент, углерод способствовал быстрому появлению новых технологий, от паровых двигателей промышленной революции до нашего современного «пластикового века», даже несмотря на то, что он ускоряет беспрецедентные изменения в окружающей среде и климате в планетарном масштабе.

Вот несколько размышлений об углероде — самом важном элементе в космосе.

АЛМАЗЫ!

Из всех разнообразных форм углеродсодержащих минералов, находящихся под высоким давлением, включая кристаллические формы, как известные, так и еще не открытые, алмаз всегда будет занимать почетное место. Бриллиант занимает идеальную нишу между редким и редким: его достаточно много, чтобы им мог владеть почти каждый, но он достаточно редок, чтобы покупать крупные камни, достойные освещения в печати, за миллионы долларов. Были добыты сотни миллионов драгоценных камней, достаточно больших для кольца или ожерелья, но сотни миллионов потребителей хотят иметь один или несколько драгоценных камней. Привлекательность бриллиантов распространяется на их научную ценность; чем больше мы изучаем эти почти чистые фрагменты углерода из недр Земли, тем больше мы узнаем об истории и динамике нашей планеты.

Алмазы давно ценятся за их редкость, красоту и совершенство, но растущее научное сообщество находит новые причины ценить бриллианты выше всех других драгоценных камней. Это новое поколение искателей бриллиантов не жаждет безупречных камней дорогих обручальных колец и теннисных браслетов. Напротив, превыше всего они ценят несовершенства в виде мельчайших минеральных включений — неприглядных черных, красных, зеленых и коричневых минеральных пятнышек и микроскопических очагов глубинной жидкости и газа. Эти дефекты, обычно срезанные и отброшенные в сторону при огранке драгоценных камней, часто представляют собой нетронутые фрагменты недр Земли — кусочки и кусочки, которые возникли давным-давно, далеко под освещенной солнцем поверхностью нашей планеты, где они были пойманы и герметично запечатаны по мере роста алмазы поглотили их.

Истории, которые они рассказывают! Алмазы и их включения могут раскрыть, насколько глубоко, как давно и в какой среде росли алмазы. Рассмотрим секреты, которые сейчас раскрывают самые большие в мире камни. Среди богатой истории бриллиантов выделяются гигантские драгоценные камни: 603-каратный Lesotho Promise, обнаруженный в 2006 году и рекламируемый как величайшая находка нового века; легендарный бриллиант Кох-и-Нур весом 793 карата, найденный столетия назад в Индии, теперь находится в короне британской королевы-матери; Constellation весом 813 карат, проданный на аукционе в 2016 году за рекордную сумму в 63 миллиона долларов; и самое крупное сокровище из всех, алмаз Куллинан весом 3106 карат, который был обнаружен в 1905 на руднике Premier No. 2 в Южной Африке как уцелевший фрагмент того, что, должно быть, было гораздо большим камнем. Оказывается, всех этих гигантов объединяет общее, неожиданное происхождение.

На протяжении веков считалось, что такие великолепные драгоценные камни являются просто большими версиями более распространенных камней меньшего размера. Не так. Намеки на другой генезис исходят из оптических исследований. Большинство алмазов, хотя и обладают потрясающей прозрачностью для видимого света, поглощают длины волн инфракрасного и ультрафиолетового света из-за наличия примесей в атомном масштабе. Атомы азота являются наиболее распространенными нарушителями. В алмазах «типа I» азот обычно заменяет примерно один из каждых 1000 атомов углерода. Когда эти атомы азота собираются в маленькие кластеры, они могут придавать драгоценным камням желтый или коричневый цвет. Остальные алмазы, менее двух процентов от всех добытых драгоценных камней, относятся к «типу II». Отличающиеся своей беспрецедентной прозрачностью как для видимого, так и для ультрафиолетового света, алмазы типа II не содержат заметных примесей азота, они, как правило, крупнее и оптически совершеннее — характеристики, которые заставили некоторых ученых постулировать более медленную и глубокую среду кристаллизации. Тем не менее, точное происхождение алмазов типа II оставалось загадкой.

В 2016 году международная группа ученых во главе с Геммологическим институтом Америки в Нью-Йорке (GIA) сделала широко известное открытие, которое показало, что алмазы типа II, в том числе многие из крупнейших драгоценных камней Земли, содержат отчетливый и любопытный набор включений: серебристые вкрапления металлического железа и никеля, сильно отличающиеся от обычных оксидных и силикатных минеральных включений их меньших собратьев.

Это исследование является триумфом как с социологической, так и с научной точки зрения. Владельцы шахт, огранщики и коллекционеры ревностно охраняют свои сокровища; чем больше бриллиант, тем труднее получить доступ для научных исследований. Выиграть возможность даже беглого исследования включений в одном или двух крупных бриллиантах было бы неожиданным удовольствием для большинства ученых. Те, кто пытался, кто мельком видел серебристые включения в больших камнях, ошибочно принимали их за обычный минерал графит — результат, не особо заслуживающий внимания. GIA, объединившись с другими экспертами по бриллиантам из США, Европы и Африки, заложила основу для исследований более масштабного масштаба. Некоммерческой организации GIA в Нью-Йорке поручено сертифицировать бриллианты всех видов: взвешивать их, классифицировать, определять страны их происхождения и постоянно разрабатывать новые тесты для отсеивания следующего поколения искусных синтетических подделок или незаконных «конфликтных бриллиантов».

Сертификация GIA является универсальным стандартом качества для бриллиантов. Благодаря своим многочисленным контактам в рудниках и музеях они смогли собрать и детально изучить удивительную коллекцию драгоценных камней и фрагментов огранки из 53 крупных алмазов типа II. Они даже повторно обрезали и отполировали пять фрагментов, чтобы подвергнуть серебристые включения тщательному исследованию передовых аналитических инструментов.

Первым сюрпризом стали уроки композиции. Богатые металлом включения не содержат кислорода, самого распространенного химического элемента в мантии, но они богаты углеродом и серой — контрольными примесями, которые показывают, что металл должен был находиться в расплавленном состоянии, когда формировались алмазы. Примечательно, что металлические включения указывают на глубокие области нашей планеты, близкие по составу к недоступному ядру Земли, с его океаном плотного жидкого железа и никеля, окружающим внутреннюю сферу диаметром 1520 миль из еще более плотного кристаллического сплава железа и никеля.

Вывод: крупные алмазы растут на сотни миль под поверхностью в изолированных мантийных карманах жидкости, богатой металлами. Алмазы легко растут в такой среде, потому что металлическое железо обладает необычной способностью поглощать большое количество атомов углерода. При достаточном давлении и температуре алмазы зарождаются и растут, при этом подвижные атомы углерода легко проходят через расплав металла, добавляя слой за слоем потенциально гигантские кристаллы. Для ученых не является полной неожиданностью тот факт, что некоторые алмазы образуются именно таким образом с участием металлов; Металлические растворители использовались для выращивания крупных кристаллов в производстве синтетических алмазов с начала 19 века. 50-е годы. Но никто не осознавал, что природа научилась тому же трюку миллиарды лет назад.

Вывод о том, что крупные бриллианты имеют свое особое происхождение, выходит далеко за рамки поиска причудливых драгоценных камней. Эта характерная популяция алмазов Типа II демонстрирует ранее не задокументированную неоднородность мантии. Можно подумать, что высокие температуры мантии в сочетании с перемешиванием конвекцией в течение миллиардов лет превратили мантию в однородную смесь. Теперь, благодаря большим бриллиантам и их характерным включениям, у нас есть четкие доказательства того, что мантия больше похожа на фруктовый пирог, с некоторыми относительно однородными областями, но с завихрениями новизны и множеством фруктов и орехов (читай, металла и бриллиантов).0003

Более того, эти локальные вариации в породах и минералах мантии указывают на глубокие регионы с совершенно разными химическими средами. Мы долгое время предполагали, что мантия состоит почти исключительно из богатых кислородом минералов. Это то, что мы обычно видим в вулканических породах, называемых кимберлитами, которые выносят свои сокровища алмазных драгоценных камней на поверхность и содержат самые богатые алмазные рудники в мире. Но металлические включения указывают на другие зоны мантии, лишенные кислорода, — регионы, где могут происходить различные химические процессы.

Как и во многих аспектах эволюции Земли, чем ближе мы смотрим и чем больше данных собираем, тем сложнее и увлекательнее становится история.

УГЛЕРОД И ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Нам не следует скрывать углерод и его роль в изменении климата. Четыре факта бесспорны.

Факт первый: Углекислый газ и метан являются сильнодействующими парниковыми газами. Их молекулы улавливают солнечное излучение, уменьшая количество энергии, излучаемой в космос. Более высокие концентрации углекислого газа и метана в атмосфере означают, что больше солнечной энергии улавливается.

Факт второй: Количество углекислого газа и метана в атмосфере Земли быстро увеличивается.

Факт третий: Человеческая деятельность, прежде всего ежегодное сжигание миллиардов тонн топлива, богатого углеродом, вызывает почти все изменения в составе атмосферы.

Факт четвертый: Земля нагревается уже более века.

Почти каждый ученый, исследовавший эти убедительные и неопровержимые факты, приходит к одному и тому же недвусмысленному выводу. Деятельность человека вызывает нагревание Земли. Этот вывод не является вопросом мнения или предположения. Это не обусловлено политикой или экономикой. Это не уловка для исследователей, чтобы получить больше финансирования или экологов, чтобы упиваться гиперболическим освещением в прессе.

Кое-что о Земле правда, и это одна из них.

УГЛЕРОД И СИМФОНИЯ

Химия углерода пронизывает нашу жизнь. Почти каждый объект, который мы видим, каждый материальный товар, который мы покупаем, каждый кусок пищи, который мы потребляем, основан на шестом элементе. Углерод влияет на любую деятельность — работу и спорт, сон и бодрствование, рождение и смерть.

А что насчет других занятий? Что с музыкой? Симфонический оркестр — каждая секция, каждый инструмент — поет песню углерода. Струнная секция — скрипки и альты, виолончели и басы — почти полностью состоят из углеродных соединений: деревянная дека, гриф, звуковая стойка, колки и струнодержатель; струны из кишок, бант из конского волоса и пластиковый упор для подбородка. Струнные инструменты также зависят от скользкой смазки для колков и липкой канифоли для смычка.

 Секция деревянных духовых инструментов? Название выдает игру — деревянные корпуса гобоев, кларнетов и фаготов. Бамбук дает тростник; пробковая подкладка их элегантных сочлененных тел. Даже металлические флейты полагаются на смазочное масло и воздухонепроницаемые кожаные подушечки для их потрясающего набора клавиш.

Ударная секция играет буйством углерода: барабанные палочки из ясеня и барабанные пластины из телячьей кожи, ксилофоны из тикового дерева и клавиши пианино из черного дерева, кастаньеты и тамбурины, деревянные доски и клаве, маракасы и маримбы, барабаны конга и барабаны бонго.

Фортепиано почти такие же, с деревянной рамой, молоточками с войлочной подкладкой и резиновыми упорами, все спрятано в изогнутом корпусе, элегантно отделанном красками на основе углерода, морилками и лаком. А когда-то 88 клавиш каждого рояля были покрыты прочным шпоном из слоновой кости — дорогое украшение, из-за которого ежегодно убивали тысячи слонов. Одного бивня хватило на 45 клавиатур; тонкие пластины, три прямоугольника на ключ, были тщательно вырезаны, а затем выставлены на солнце в течение нескольких недель, чтобы добиться желаемого «белого» оттенка ключа. Сегодня прочные пластмассы — полимеры цвета слоновой кости, имитирующие запрещенный биоматериал на основе углерода, — представляют собой безопасный синтетический заменитель.

Ах, скажете вы, а что насчет медных духовых? Конечно, трубы и валторны, тромбоны и тубы не нуждаются в углероде. Посеребренные мундштуки, медные свинцовые трубы, стальные клапаны, латунные трубки, U-образные настроечные ползунки и раструбы изготовлены из цельного металла. Но если не смазывать клапаны или направляющие, через неделю все, что у вас останется, — это бесполезный кусок замороженного металла.

Без углерода была бы тишина.

ЖИЗНЬ: ПОЧЕМУ УГЛЕРОД?

Углерод является элементом кристаллов, циклов и всего прочего. Углерод, входящий в состав множества твердых, жидких и газообразных форм, играет бесчисленные химические роли, затрагивающие все аспекты нашей жизни. Но как насчет живых организмов, структура и функции которых намного сложнее, чем у любого неодушевленного материала природы или промышленности? Какой элемент даст жизненную искру жизни?

Чтобы химический элемент сыграл центральную роль в происхождении жизни, он должен соответствовать нескольким основным ожиданиям. Без сомнения, любой элемент, необходимый для жизни, должен быть в разумных количествах и широко доступен в земной коре, океанах или атмосфере. Элемент должен иметь потенциал для множества химических реакций; он не может быть настолько инертным, чтобы просто сидеть и ничего не делать. С другой стороны, основной элемент жизни не может быть слишком реактивным; он не может загореться или взорваться при малейшей химической провокации. И даже если элемент находится в золотой середине химической реакции, в идеальном царстве между взрывоопасным и мертвым, он должен проделать больше, чем один химический трюк. Он должен уметь формировать прочные и стабильные структурные мембраны и волокна — кирпичи и раствор жизни. Он должен иметь возможность хранить, копировать и интерпретировать информацию.

И этот особый элемент в сочетании с другими вездесущими элементарными строительными материалами должен найти способ использовать энергию из комбинаций других химических веществ или, возможно, обильного солнечного света. Умные комбинации элементов должны хранить эту энергию в удобной химической форме, такой как батарея, а затем высвобождать контролируемые импульсы энергии, когда и где это необходимо. Существенным элементом жизни является многозадачность.

В этом ограничительном контексте рассмотрите множество элементарных альтернатив. Наиболее распространенными элементами в космосе являются водород и гелий, занимающие первое и второе место в таблице Менделеева — весь верхний ряд, — но они никогда не станут основой биосферы. Водород, который может прочно связываться только с одним другим атомом за раз, не проходит тест на универсальность. Водород немаловажен, заметьте. Он помогает формировать многие молекулы жизни посредством «водородных связей» — своего рода молекулярного клея — и играет жизненно важную роль вместе с кислородом в воде, среде всех известных форм жизни. Но элемент один не может обеспечить универсальную химическую основу для жизни.

Гелий, второй элемент в таблице Менделеева, совершенно бесполезен — невероятно инертный, высокомерный «благородный газ», отказывающийся связываться ни с чем, даже с самим собой.

Просматривая периодическую таблицу элементов, элементов с третьего по пятый (литий, бериллий и бор) слишком мало для создания биосферы. При концентрациях в несколько атомов на миллион в земной коре и еще меньше в океанах и атмосфере их можно смело вычеркивать из списка предполагаемых живительных ингредиентов.

Углерод, элемент 6, химический герой биологии; мы вернемся к этому.

Седьмой элемент, азот, представляет собой интересный случай. Азот, распространенный в приповерхностной среде, составляет около 80 процентов атмосферы. Он связывается сам с собой попарно как N ₂ , нереакционноспособная молекула, которая составляет большую часть газа, которым мы дышим. Азот также связывается со многими другими элементами, в том числе с водородом, кислородом и углеродом, образуя множество интересных химических веществ, имеющих отношение к биохимии. Белки состоят из длинных цепочек аминокислот, каждая из которых содержит по крайней мере один атом азота. Жизненно важные генетические молекулы ДНК и РНК также включают азот в свои структурные единицы, так называемые «основания», определяющие генетический алфавит — A, T, G и C. Но азот, который на три электрона меньше магического числа 10, оказывается слишком жадным к электронам — его химические реакции слишком энергичны, а возникающие в результате связи слишком негибки, чтобы играть многогранную роль ведущего актера. Как следствие, мы можем исключить азот из числа конкурентов.

Почему не кислород? В конце концов, атом за атомом кислорода является самым распространенным элементом в земной коре и мантии, представляя более половины атомов в большинстве горных пород и минералов. В группе минералов полевого шпата, на долю которых приходится до 60 объемных процентов разнообразных континентов Земли и океанской коры, количество кислорода превосходит количество других атомов в восемь-пять раз. Вездесущая группа пироксенов представляет собой смесь кислорода три к двум с обычными металлическими элементами, такими как магний, железо и кальций. А кварц, самый распространенный минерал большинства песчаных пляжей, — это SiO 9.0149 2 . Удивительно думать, что, когда вы лежите на пляже, греясь на солнце, две трети того, что удерживает вас, — это атомы кислорода.

Как следствие, атом кислорода в земной коре примерно в тысячу раз более концентрирован, чем углерод. Но кислород, несмотря на его подавляющее изобилие, химически скучен. У изолированного атома кислорода всего восемь электронов, на два электрона меньше, чем ему нужно, поэтому он вступает в неразборчивые связи практически с любым атомом, который восполнит дефицит. Действительно, кислород абсолютно необходим для всех видов биологически важных химических веществ — сахаров, оснований, аминокислот и, конечно же, воды. Тем не менее, кислород не может образовывать необходимые цепи, кольца и геометрию разветвлений, которые так важны в сложной архитектуре жизни. И поэтому мы можем вычеркнуть избыток кислорода из короткого списка наиболее важных атомных строительных блоков жизни.

Фтор, занимающий девятое место в таблице Менделеева, гораздо хуже, так как ему не хватает всего одного электрона от желаемого дополнения, равного 10. Фтор жадно поглощает электроны практически из любого другого элемента. Активный фтор разъедает металл, травит стекло и взрывается при контакте с водой. Вдохните легкое, полное газообразного фтора, и вы умрете ужасной смертью в агонии, когда ваши легкие покроются волдырями от химических ожогов.

И так далее. Элементы 10 и 18, неон и аргон, являются инертными газами, поэтому не рассматривайте их в дальнейшем. Натрий, магний и алюминий (элементы с 11 по 13) слишком охотно отдают электроны, а фосфор, сера и хлор (элементы с 15 по 17) слишком охотно их принимают. И по мере того, как мы углубляемся в периодическую таблицу, элементы становятся менее распространенными, а возможности для основной химии жизни истощаются.

Исключение можно найти в распространенном элементе кремнии, который находится в середине третьей строки периодической таблицы. Кремний — элемент 14, занимающий значительное место сразу после углерода. Элементы, находящиеся в одном столбце периодической таблицы, часто обладают сходными свойствами, так что, возможно, кремний является жизнеспособной биологической резервной копией углерода? Писатели-фантасты не раз ухватывались за этот вариант.

Я хорошо помню эпизод из первого сезона классического Телевизионное шоу «Звездный путь » — оригинальное с Уильямом Шатнером в роли капитана Джеймса Т. Кирка и Леонардом Нимоем в роли мистера Спока — в котором экипаж корабля «Энтерпрайз » обнаруживает расу разумных и потенциально опасных форм жизни на основе кремния, имеющих форму горные породы. Концепция шоу была забавной, особенно с удовлетворительным мирным разрешением, когда камни и люди научились ладить. Но минералогическая предпосылка была ошибочной; кремний — это биологический тупик. У кремния на поверхности Земли есть только одно связующее требование — найти четыре атома кислорода и сделать кристалл. После образования эти кремний-кислородные связи становятся слишком прочными и слишком негибкими для интересной химии. Вы просто не можете построить биосферу на одном единственном элементе, таком как кремний.

Продолжайте, но тщетно будете искать еще один многообещающий элементальный вариант. Правда, ваш взгляд может упасть на железо, элемент 26, четвертый по распространенности элемент в земной коре после кислорода, кремния и магния. Почему не железо? Железо любит связываться, и оно гибко в своем выборе. Связь с кислородом? Конечно, образуют красную ржавчину с ионными связями. Связь с серой? Конечно, сделайте золотой, блестящий металлический пирит (метко названный «золотом дураков») с ковалентными связями. Железо связывается с мышьяком и сурьмой, с хлором и фтором, с азотом и фосфором, даже с углеродом в различных минералах карбида железа. И если под рукой нет других элементов, железо счастливо связывается само с собой в металлическом железе. Такой разнообразный портфель облигаций может показаться идеальным для основного элемента жизни. Но у железа есть недостаток. Он легко образует минералы с большими кристаллами, но избегает образования маленьких молекул. Жизнь требует огромного разнообразия молекул, с цепочками, кольцами, ответвлениями и клетками — трюки, которые железо редко применяет.

Итак, у нас остался углерод, самый универсальный, самый адаптируемый, самый полезный элемент из всех. Углерод – элемент жизни.

CODA

Какова наша роль в эволюционной схеме вещей, в великой углеродной симфонии? Люди одновременно и обычные, и уникальные. С одной стороны, мы всего лишь еще один эволюционный шаг в четырехмиллиардной истории, которая, вероятно, будет продолжаться еще долго после того, как наша родословная вымрет или превратится в какой-нибудь новый вид. Некоторые утверждают, что только мы способны радикально изменить климат и окружающую среду Земли, но фотосинтезирующие микробы, производящие кислород, и последовавшие за ними разнообразные зеленые растения изменили приповерхностную среду Земли гораздо более глубоким образом, чем любые действия человека.

Другие указывают на глобальное влияние человечества на континенты через строительство городов, дорог, шахт и ферм, но деревья и травы намного превосходят наше влияние на ландшафт. Некоторые говорят, что наш вид уникален в своем потенциале «разрушить планету», но повторяющиеся катастрофические удары астероидов и взрывные извержения мегавулканов имели гораздо более разрушительные последствия, чем любое оружие, изобретенное людьми.

В то же время наш человеческий вид обладает беспрецедентными способностями. Мы уникальны в истории жизни в нашем технологическом мастерстве, позволяющем адаптировать и изменять нашу среду в масштабах от локального до глобального. Мы уникальны в своем изобретательском использовании других видов животных, растений и микробов. Мы уникальны в нашем бурном желании и способности исследовать за пределами нашего мира, возможно, в конечном итоге колонизировать другие планеты и луны. И мы уникальны в своем влиянии на углеродный цикл Земли — цикл, который глубоко влияет на каждый аспект нашей планеты — землю, воздух, огонь и воду.

Люди уникальны среди форм жизни из-за бешеного темпа изменений, которые мы вносим. Мы изменяем планету со скоростью, намного превышающей скорость любого предшествующего вида — со скоростью, превышающей только внезапные катаклизмы извергающихся вулканов и падающих с неба камней. Микробам потребовались сотни миллионов лет, чтобы насытить кислородом атмосферу, и, возможно, еще миллиард лет, чтобы насытить кислородом океаны. Многоклеточной жизни потребовались десятки миллионов лет, чтобы колонизировать землю после первых предварительных вторжений.

Эти изменения были глубокими, но они произошли в течение геологических временных масштабов, которые позволили жизни и горным породам постепенно эволюционировать вместе. Экосистемы Земли удивительно устойчивы, но им нужны поколения, чтобы меняться, развиваться и перезагружаться в ответ на новые условия окружающей среды. Если люди представляют уникальную угрозу для Земли, как опасаются некоторые ученые, то именно беспрецедентная скорость изменения окружающей среды несет в себе наибольший риск повреждения биосферы.

Тем не менее, камни и разнообразные микробы, живущие среди них, прекрасно справятся с любым ущербом, который мы можем причинить нашему дому и, непреднамеренно, нашему собственному виду. Земля будет продолжаться, жизнь будет продолжаться, и мощный процесс эволюции путем естественного отбора обеспечит, чтобы новые существа продолжали населять каждую нишу на планете.

Великая вечная симфония углерода объединяет все стихийные сущности — землю, воздух, огонь, воду. Ничто не существует изолированно; все являются неотъемлемыми частями целого. Земля выращивает твердые кристаллы углерода — прочные фундаментные камни как суши, так и океанов. Воздух содержит молекулы углерода, которые охватывают всех нас, вечно вращаясь, защищая и поддерживая жизнь. Огонь, рожденный углеродом, наполняет мир энергией, обеспечивая непревзойденное молекулярное разнообразие материального и живого мира. Вода, которая породила углеродную жизнь, питает эту жизнь по мере ее эволюции и излучается во все уголки земного шара. В крещендо изысканной гармонии и сложного контрапункта каждая сущность углерода воспевает и воспевается другими.

Люди научились навязывать свои собственные неотложные темы и постоянно ускоряющиеся темпы этой древней партитуре. Мы лишаем землю ее полезных ископаемых. Мы наполняем воздух своими отходами. Мы используем огонь, чтобы удовлетворить наши желания и потребности. Мы эксплуатируем изобилующую живой водной сферой, часто не заботясь о том, какие виды живут, а какие умирают.

Каждый из нас должен отступить от безотлагательности нашего желания увидеть наш драгоценный планетарный дом как уникальное, но уязвимое жилище. Если мы будем мудры, если мы сможем умерить наши желания новым чувством благоговения и удивления, если мы сможем научиться лелеять наш восторженно прекрасный, богатый углеродом мир так, как он того заслуживает, тогда мы можем надеяться оставить непревзойденное, бесценное наследие. для наших детей, их детей и всех будущих поколений.

Это эссе взято из: Symphony in C: Carbon and the Evolution of (почти) всего (W.W. Norton & Co., New York, 2019) Роберта М. Хейзена.

Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

Роберт М. Хейзен, доктор философии, старший научный сотрудник Геофизической лаборатории Института Карнеги и профессор наук о Земле Кларенса Робинсона в Университете Джорджа Мейсона. Он является исполнительным директором Deep Carbon Observatory.