Дело в том, что объемные свойства твердых тел могут быть с высокой степенью точности рассчитаны, исходя из “первых принципов”, из свойств составляющих тело частиц. Внутри кристалла, например, каждый атом (ион) плотно окружен со всех сторон другими атомами (ионами), и эта структура с потрясающей регулярностью воспроизводится во всем объеме кристалла. На поверхности ситуация меняется, поверхностный атом с одной стороны окружен своими товарищами, а с другой – открыт окружающему миру. Он обладает большей, по сравнению с внутренними атомами, энергией и притягивает к себе разнообразные вещества из окружающей среды – адсорбирует их. В принципе и эта задача, как говорят теоретики, счетная, но только в случае идеальной, плоской поверхности. В реальности же мы имеем на поверхности трещинки, выступы и другие дефекты, кроме того, даже у идеального кристалла есть не только грани, но и ребра, и вершины, сидящие там атомы находятся в разном окружении. Тут сам черт голову сломит.

Но это еще полбеды. Поверхность любого твердого тела не только обладает избыточной энергией по сравнению с его внутренностью, она еще отличается от нее по химическому составу. Возьмем, например, монокристалл кремния, из которого делают любимые нами чипы, и расколем его пополам. При этом мы разорвем химические связи между атомами кремния, а природа, как известно, очень не любит разорванные связи. Если мы не предпримем специальные меры предосторожности и не удалим из окружающей среды кислород и воду, то “ненасыщенные” атомы кремния, находящиеся на поверхности разлома, немедленно вступят с ними во взаимодействие. Это будет даже не адсорбция, а настоящая химическая реакция. Что будет представлять собой при этом поверхность? Все зависит от того, с какой стороны на нее посмотреть. С одной – вроде бы кремний, с другой – диоксид кремния, с третьей – кремниевая кислота, а на самом деле ни то, ни другое, ни третье, но в любом случае нечто отличное от объема кристалла. Ученые с этим разбирались десятилетиями, но – разобрались.

Для нас сейчас важнее всего то, что какой бы ни была химическая структура поверхности, она все равно останется поверхностью, границей раздела фаз “твердое тело – газ” или “твердое тело – жидкость”, и будет исправно адсорбировать различные вещества. Более того, изменчивость свойств поверхности мы можем обратить себе на пользу. Исходя из одного и того же твердого тела и направленно изменяя свойства его поверхности, мы можем получать разные сорбенты, необходимые нам для решения конкретных практических задач.

Понятно, что чем больше поверхность твердого тела, тем большее количество вещества оно может поглотить. Также понятно, что для практических приложений важна не столько общая поверхность, сколько ее удельная величина, отнесенная к единице веса или объема сорбента. Как можно увеличить удельную поверхность твердого тела? Представим себе сплошной кубик с ребром 1 см. Легко подсчитать, что его поверхность составит 6 см2. А теперь возьмем дрель со сверлом диаметром несколько нанометров и начнем просверливать в кубике сквозные отверстия – поры, создавая при каждом проходе новую поверхность. В итоге мы получим все тот же кубик, но с суммарной поверхностью в сотни квадратных метров. Это именно та величина, которая нужна для практического применения.

У природы и ученых есть в арсенале более изощренные методы создания твердых тел с высокой удельной величиной поверхности, чем механическое сверление, но общий принцип сохраняется: все практически важные сорбенты имеют внутреннюю пористую структуру, характеризующуюся наноразмерами .

Таков активированный уголь, таблетки которого мы глотаем при желудочных отравлениях.