Заглянем в будущее - Семенов Николай Николаевич (читать книги бесплатно полностью без регистрации .txt) 📗
Кристалл — символ идеального порядка, так же как газ — символ хаоса.
Но — и это очень важно для наших прогнозов — нет в мире идеального порядка, не существует и идеально упорядоченных кристаллов.
Кажется, общепризнанно, что наилучшей в мире является шотландская шерсть. Когда мне удавалось найти отрез такой шерсти, я приходил к портному Николаю Васильевичу, и между нами обычно происходил такой диалог.
Н. В. (восхищенно). Да, материал первый сорт, тут уж ничего не скажешь.
Я. Костюм должен получиться великолепным. Хороший материал и ваша работа — тому залог.
Н. В. (без восхищения). Работа тут, прямо скажем, дьявольская. Клетку-то надо к клетке подогнать. Вот, скажем, спинка в рукав переходить будет. Тут уж, понимаете, как надо! Чтоб ни одного миллиметра ошибки!..
Я (просительно). Уж постарайтесь, Николай Васильевич.
Н. В. Да уж не в первый раз…
И действительно, делал так, что линия переходила в линию, клетки образовали правильный узор.
Природа работает хуже Николая Васильевича и при создании трехмерной решетки довольно часто ошибается. Образуются различного рода дефекты — неправильные смещения соседних слоев, пустоты, трещинки.
То, что такие дефекты наверняка существуют и они оказывают решающее влияние на применение твердых тел, было установлено еще в начале нашего века.
Прочность тела — одно из важнейших его качеств. Создавая изделие, всякий раз необходимо уверяться в том, что металл, стекло, кирпич или ткань не подведут — не разорвутся или не сломаются в неожиданный момент, поставив под угрозу жизнь людей. Даже если речь не идет о драматических последствиях, все равно неохота иметь дело с вещами, которые могут тебя подвести.
Нет, вероятно, ни одного промышленного предприятия, которое не испытывало бы материалы, полупродукты или изделия на прочность. Часто для этой цели готовят образец цилиндрической формы, имеющий вид, если посмотреть сбоку, римской единицы. Основания единицы захватываются цапфами специальной разрывной установки, включается моторчик, и цапфы начинают расходиться. Стрелка прибора показывает силу растяжения, которую испытывает образец. Сотни килограммов, тысячи… Раздается треск — образец разорван на две половинки. Число килограммов, отнесенное к единице площади сечения, называется сопротивлением на разрыв. Чем больше это число, тем лучше материал.
Борьба за прочность ведется многие десятилетия. Разумеется, она приобретает все большее и большее значение по мере бурного роста населения. Пока общество обходилось небольшим числом жилых зданий с толстыми стенами — строили их. Проблем не только прочности, но и теплопроводности, звуконепроницаемости не было. В городе Коломне, где мне приходится бывать время от времени, еще действует давным-давно построенная гостиница. Комфорта никакого, номера как клетушки. Но зато тишина абсолютная, летом прохладно и тепло зимой. Секрет элементарный: толщина стен не меньше метра, и простоять она может века.
Но в наше время такой подход не годится: это расточительство. А потому борьба за прочность, за звуконепроницаемость, за теплозащитные свойства тонких стенок ведется непрерывно.
Нет сомнения, что успехи, достигнутые в борьбе за прочность, немалые. Но придется признаться: они не столь уж велики.
Почему же так? В чем причина, что выигрыш всего лишь в 10–20 процентов считается важным достижением? Нет ли линии исследования, которая привела бы к тысячекратным увеличениям прочности? Может быть, достаточно бросить клич вроде: «Товарищи физики, поднажмите и придумайте способ усиления связи между атомами! Дело-то ведь, конечно, в этом. Чем крепче будут связаны атомы, тем прочнее будет предмет!» Казалось бы, так!
В начале этого века очень хорошему физику М. Борну удалось рассчитать силы связи между атомами. Правда, теория была создана не для металлов. Первым объектом для применения теории послужила поваренная соль. Причина такого выбора заключалась в том, что поваренная соль состоит из положительных ионов натрия и отрицательных ионов калия. Притягиваются эти шарики по закону Кулона (читатель помнит, конечно, этот простой закон: сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними).
М. Борн придумал, как просуммировать взаимодействия между всеми парами частиц, учел силы отталкивания между атомами, которые возникают, когда они подходят друг к другу на близкие расстояния, и вычислил теоретическое значение прочности поваренной соли (кстати, когда соль находят в природе, а не берут щепотку из солонки, то ее называют каменной).
Итак, теория готова. Дело за проверкой. Большой кристалл природной каменной соли не редкость. А выточить из него цилиндрик, в профиле похожий на римскую единицу, — дело пустяковое. Остается вставить в разрывную машину и посмотреть, до какого деления доберется стрелка регистрирующего прибора в момент разрыва образца.
Результат опыта был поразительным. Теоретические предсказания отличались от фактов на три порядка величины. Вычисленное значение сопротивления на разрыв оказалось в тысячу раз больше того числа, которое «выдал» испытательный прибор.
Справедливость расчетов М. Борна находится вне всякого сомнения, и поэтому для объяснения расхождения «практики и математики» требовалась какая-то новая идея. Она пришла в голову одновременно нескольким исследователям, в том числе одному из основателей советской физики, академику А. Иоффе.
М. Борн произвел расчеты для идеальной кристаллической решетки. Но если предположить, что внутри кристалла тьма трещин, пустот, дефектов, то взаимодействие между атомами будет во много раз меньше, чем у идеального кристалла.
Ряд остроумных опытов с полной несомненностью показал, что дело обстоит именно так. Известен знаменитый «опыт Иоффе» по растяжению образца каменной соли в воде.
Вода растворяет поверхность образца, рассуждал ученый, а потому должна устранять внешние трещины.
Так оно и оказалось. А. Иоффе показал, что прочность резко возрастает при растягивании образца соли в воде.
В течение ближайшего десятилетия стало ясно, что борьба за прочность не столько борьба за увеличение сил взаимодействия между атомами, сколько борьба с внутренними дефектами кристаллических зерен.
Это и предопределило идею создания прочных материалов. Кристаллическое зерно должно быть мелким, а отдельные зерна надо сцементировать аморфной стекловидной прослойкой. Много шансов за то, что прочность возрастет, если комбинировать зернышки разной формы и разных механических свойств, скажем хрупкие и твердые с пластичными.
Можно предполагать, что будущее за комбинированными материалами из металлов и керамики, о чем мы поговорим поподробней чуть ниже.
Экстраполяционный прогноз таков: силы взаимодействия между атомами увеличить не удастся, поэтому надо стремиться к тому, чтобы улучшить микроструктуру материала, создать бездефектные крошечные зернышки и научиться их спаивать прочной и опять-таки бездефектной межкристаллической прослойкой.
Шансы на получение маленьких кристаллических частичек, лишенных дефектов, достаточно велики. В последние годы физики научились получать кристаллические «усики» — тончайшие кристаллы, практически лишенные дефектов. Прочность таких «усиков» достигает теоретического значения, рассчитанного М. Борном. Нам кажется, что вырастить крупные «усищи» в ближайшее время вряд ли удастся. Но без этого можно обойтись — маленькие бездефектные кристаллики смогут послужить великолепной основой для создания высокопрочных материалов.
Напряженно вглядываясь в туманную даль будущего техники и держась изо всех сил за ариаднову нить экстраполяционного прогноза, можно видеть две дороги, двигаясь по которым человечество получит в свое распоряжение нужные ему вещества.
