К XXI веку синтетические материалы полностью завоюют технику и быт. И они будут красивее, лучше, и дешевле, чем натуральная шерсть, мех, кожа.
Искусственные алмазы
Беседа с членом-корреспондентом Академии наук СССР Леонидом Федоровичем Верещагиным началась несколько неожиданно. — А вы никогда не задумывались, почему так легко были утрачены многие секреты древних мастеров? Например, в живописи? — спросил он. — Почему не удается нам получить такие же великолепные долговечные краски, какими написаны гениальные полотна лучших художников Возрождения?
Или еще одна загадка — дамасская сталь. Как удалось людям средневековья без нынешней техники и без легирующих добавок получать эту изумительную, нержавеющую и необыкновенно прочную сталь?
И, наконец, последний вопрос: если производство дамасских клинков было уже когда-то освоено, то почему же люди позабыли его? Ведь в наше время ни один завод не прекратит производства, что бы ни случилось с его главным инженером или технологами…
Профессор секунду помедлил и сам ответил на свой вопрос:
— То, что случайно найдено путем эксперимента и еще не осмыслено, не понято людьми, принадлежит им только наполовину. Человеку выпала большая удача — он нашел самородок золота. Нашел случайно. Он порадовался увесистой находке, подержал ее в руках, спрятал под куст в надежде скоро вернуться сюда, а потом, сколько ни искал, сколько ни бродил в тайге, уже не мог ее найти. Примерно то же произошло и с дамасской сталью. Случай дал ее в руки человеку, случай и отнял. Вы скажете, что в наши времена такие истории невозможны. Это не так.
Сейчас много говорят об искусственных алмазах. Но мало кто знает, что первые искусственные алмазы были получены еще в прошлом веке, в 1880 году. Английский ученый Генней проделал около 80 опытов, и три из них принесли ему удачу. Он получил мелкие желтоватые кристаллики, которые и сейчас можно увидеть в Британском музее под этикеткой «Искусственные алмазы Геннея».
Спустя 63 года, во время второй мировой войны, англичане Баннистер и Лонсдейл решили проверить, не ошибся ли Генней. Рентгенографические исследования с полной достоверностью подтвердили, что 11 из 12 алмазов, хранящихся в музее, действительно алмазы!
Люди нашли золотой самородок. Стоит взять описание опытов Геннея и повторить их — и алмазы станут обычнее стекла. Тем более, что технология опытов была весьма и весьма простой. Смесь, в которую входило 90 процентов легких углеводородов, около 10 процентов костяного масла и немного лития, герметически закрывалась в железную трубу, сделанную наподобие орудийного ствола. Труба, доведенная до темно-красного каления, должна была пробыть в печи 14 часов подряд. Вот и весь секрет.
Но не тут-то было. Сколько ни пытались ученые в разных странах повторить опыты Геннея, это никому не удавалось. Тайна получения этих алмазов осталась тайной… Самородок так и остался лежать потерянный в тайге.
И все же выход был найден. Тайна перестала существовать, когда в дело решительно вмешалась наука о высоких и сверхвысоких давлениях и современная техника. Да, искусственные алмазы уже получены. Ими располагают две страны — США и СССР. Но, отыскивая способы их получения, физики открыли целый новый «материк чудес», на котором эти искусственные желтоватые или черные кристаллики, может быть, даже не самое интересное. Не одно столетие уйдет, чтобы исследовать эти новые владения науки. Думаете, я назвал слишком долгий срок? Нет…
Понадобились сотни лет, чтобы к таким понятиям, как объем и температура, прибавилось новое понятие, третье измерение состояния вещества — давление. Широко входить в технику, промышленность давление начало только в прошлом веке. В 1885 году французский физик Шарль Терьер отмечал, что синтез аммиака идет «при чудовищном давлении». Так было названо давление всего в 10 атмосфер. А в 1900-е годы уже были получены давления до 3 тысяч атмосфер. Цифры росли все стремительней:
к 1914 году — 12 тысяч атмосфер;
к 1935 году — 20 тысяч атмосфер;
к 1940 году — 100 тысяч атмосфер.
А сейчас мы уже можем получать и использовать давления до 500 тысяч атмосфер! На мгновение удалось достичь поистине чудовищного давления — около 5 миллионов атмосфер. Даже в центре Земли давление почти вдвое ниже.
Но поверьте мне: не ради рекордных цифр стремятся физики получать экзотические давления. Повышение давлений оказалось ключом к преобразованию одних веществ в другие и особенно пригодилось в химической промышленности.
Кажется, ничто не меняется в веществе, на которое действуют давлением. Однако это не так. Соотношения между объемом, давлением и температурой вещества были понятны и казались простыми лишь до тех пор, пока давления оставались небольшими. По мере того как физики получали все более высокие давления, открывались новые, часто совершенно неожиданные явления. При высоких давлениях, например, наступает момент, когда вопреки всем ожиданиям объем вещества сам собой вдруг уменьшается. Резким скачком возрастает электрическая проводимость. Диэлектрики начинают вести себя как металлы. Теллур при атмосферном давлении имеет одну проводимость, а при давлении в 30 тысяч атмосфер проводимость его возрастает в 600 раз. Сняв высокое давление, оказывается, не всегда можно вернуть веществу все его прежние свойства. Порой вещество под давлением словно переходит какую-то черту, перестраивается и не желает возвращаться назад, принимать прежнюю форму. И каждое вещество ведет себя на свой манер. Никаких правил — сплошные исключения.
Академик П. Капица однажды сказал, что для физика интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них. И это правильно, потому что, исследуя отклонения, физики обычно и открывают новые закономерности.
В физике высоких давлений нас интересуют прежде всего таинственные скачки, изменения свойств вещества, происходящие под давлением, — в первую очередь в твердых веществах, кристаллах.
По формуле так называемого уравнения состояния вещества можно легко и быстро подсчитать, какой объем будет занимать металл цезий, скажем, при 10 тысячах атмосфер и обычной температуре. Но вот мы начинаем сжатие: 5 тысяч, 6 тысяч, 7 тысяч атмосфер… Все идет так, как предсказывала формула. И вдруг на 8 тысячах атмосфер объем металла резким скачком уменьшается на 7 процентов. Что случилось?
Рентгенографический метод измерения сжимаемости монокристалла. разработанный советскими учеными, показывает, что дело здесь вовсе не в изменении кристаллической решетки цезия. Она сохранилась. Что-то произошло с электронными оболочками атомов цезия. Что именно?
Начав сжатие, мы заставили атомы уплотниться. Давление заставило их сблизиться. Электронные оболочки соседних атомов стали перекрываться, теснить друг друга. Наружный электрон каждого атома, словно искусственный спутник, потерявший скорость, резко снизился со своей наружной орбиты на внутреннюю, незаполненную орбиту. Равновесие электронной структуры атомов восстановилось, но зато объем их при этом стал меньше. Вот в чем, оказывается, заключается причина поразившего всех скачка.
Как же ведут себя электроны при дальнейшем сжатии?
Мы уже заметили, что внешний электрон (так называемый валентный) сошел со своей орбиты вглубь. Различие между валентными и другими электронами в атомах исчезает. Электронные оболочки под давлением извне сливаются воедино, происходит их «коллективизация». Как показал в своей работе советский ученый Ю. Н. Рябинин, электроны сплетаются так, что почти перестают «чувствовать» своего хозяина. Но в то же время они стремятся оттолкнуть друг друга, потому что заряд у них одноименный, Так с повышением давления создаются условия для появления все большего количества свободных электронов. Этим и объясняется тот факт, что электрическая проводимость появляется даже у тех веществ, которые в обычных условиях тока не проводят.
Ну, а если бы удалось поднять давление до десятков миллионов атмосфер? Тогда электронные оболочки всех атомов были бы полностью раздавлены и ядра атомов погружены в общую электронную плазму.
Есть у физиков основной, главный критерий для любого материала. Они прежде всего хотят знать, как он ведет себя во время сдвига, при кручении, растяжении. Мы взяли графит, мягкое вещество, которое часто используется в качестве смазки, и под давлением в 60 тысяч атмосфер попробовали повернуть его. Прибор показал напряжение сдвига — 330 килограммов на квадратный сантиметр. Мягкий графит вдруг обрел твердость алмаза. Точно такую же твердость показал при 50 тысячах атмосфер и редкий металл осмий. Откуда взялись эти новые качества у мягких материалов? Ответ один: их сделало такими давление. Ведь между атомами действуют не только силы отталкивания, но и силы притяжения. И чем короче расстояние между атомами, тем крепче их связь.
