Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Безумные идеи
Начало сайта / Раритетные издания / Безумные идеи

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Как люди научились летать

Крушение парадоксов

Превращение элементов

Среди запахов и звуков

Цепная реакция идей

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Безумные идеи

Ирина Радунская

Путь к белым карликам

– Без сомнения, этот камень похож на алмаз.
Откуда вы его достали?
– Я вам говорю, что я его сделал, – сказал он.

Герберт УЭЛЛС

Чудо британского музея

Он порывисто схватил трубу, насыпал в нее тщательно перемешанную смесь, долил водой, закупорил и начал подогревать. Три года он готовился к этому опыту, решал задачу о составе смеси, обдумывал технику. Теперь он у цели.

Раздался взрыв, стекла в комнате и часть аппаратуры были разбиты вдребезги, но человек из рассказа Уэллса в упоении рассматривал плод своего безумного опыта – порошок, сверкающий бриллиантовыми зернами...

Уэллсу, удивительному английскому мечтателю, было 14 лет, когда его страну, а затем весь мир, облетела сенсационная весть: Хэнней научился делать бриллианты! Английский ученый засыплет мир драгоценными камнями собственного изготовления!

Это событие вскружило голову не одному солидному дельцу, давшему себе слово не попадаться на удочку очередной сенсации. А подростку, страдавшему бешеным воображением, оно так пришлось по вкусу, так долго его преследовало, что через много лет заставило написать рассказ о человеке, научившемся делать алмазы.

Техника эксперимента Хэннея была весьма примитивна. Он смешивал различные углеводороды с костяным маслом и загружал эту смесь в трубу, изготовленную по принципу орудийного ствола. Затем открытый конец трубы заваривал и подогревал до красного каления в течение 14 часов.

Герой Уэллса, усовершенствовав эту технику, поступал приблизительно так же, но охлаждал свое варево в течение двух лет, надеясь, что маленькие кристаллики подрастут. И когда он потушил огонь, вынул из горна цилиндр и стал его в нетерпении развинчивать, обжигаясь еще горячим металлом, он нашел внутри несколько мелких и три крупных алмаза.

Вот и вся разница между действительным экспериментом и выдуманным писателем. Вся разница, если не считать, что ученым руководило стремление к покорению новых вершин науки, а героем Уэллса, обывателем, – страсть к обогащению. Поэтому вымышленный охотник за бриллиантами скрывал свою тайну, боясь, что алмазы станут так же дешевы, как уголь, а Хэнней опубликовал описание своих многообещающих опытов.

Правда, его указания очень смахивали на советы алхимиков, стремящихся превратить металл в золото. Раймонд Люлли, который, как гласит предание, был близок к решению этой задачи, давал такой немудреный совет:

«Вы возьмете чрево коня, которое переварено (я хочу сказать, человек божий, очень хорошего лошадиного навоза)... и в него поместите сосуд для перегонки и будете иметь без издержек и затрат огонь без огня и вечное круговращение квинтэссенции».

Этот чудный рецепт снился не одному поколению фантазеров, но так и не привел никого к получению философского камня.

Пользуясь советом Хэннея, каждый тоже мог при желании повторить его опыт. Мог... но странное дело! Прошло свыше восьмидесяти лет, а еще ни одному ученому не помогли советы Хэннея. И даже при самом пылком желании никто, если не считать героя Уэллса, почему-то не получил таким путем искусственных алмазов. Хотя опыт и привлекал своей простотой, он не приводил к успеху.

Как Хэнней получил свои алмазы, осталось тайной. Молва говорила, что ученый сделал восемьдесят попыток, но достиг успеха лишь на восемьдесят первой. Он смог продемонстрировать всему миру кучку твердых сверкающих минералов.

Двенадцать маленьких кристалликов Хэннея, рожденных в пламени печи и в вихре его мечтаний, создали своему творцу ореол славы. Они были водворены как чудо в Британский музей, где и хранятся под названием «искусственных алмазов Хэннея».

И действительно, это настоящие алмазы. Тщательное исследование этих кристалликов, произведенное уже в наше время, в 1943 году, при помощи рентгеновых лучей, с достоверностью подтвердило, что одиннадцать из двенадцати кристаллов – алмазы. Но действительно ли они получены искусственным путем, доказать невозможно. Во всяком случае, повторить опыты Хэннея и получить алмазы его способом ни одному ученому так и не удалось. Алмазы Британского музея до сих пор безмолвно хранят загадку своего происхождения.

Алмазная горячка

...Однажды в давние времена, разъезжая по щедрой Африке и еле успевая нагружать объемистый фургон слоновой костью, которую приносили туземцы в обмен на стеклянные бусы, дешевую материю и побрякушки, бродячий торговец был поражен неожиданным зрелищем. В одной из деревень он наткнулся на детей, беспечно игравших удивительно сверкающими прозрачными камешками. Дошлый торговец сразу сообразил, что детишки перебрасываются никак не меньше, чем миллионами.

Это были первые алмазы, увиденные европейцем в Африке, алмазной сокровищнице, которая впоследствии поставляла на мировой рынок свыше 90 процентов отборнейших драгоценных камней. Это были первые предвестники новых бед, которые обрушились на Конго и другие страны «бриллиантовой» Африки. Это был конец XVIII века.

На поиски счастья целым потоком хлынули авантюристы, заболевшие алмазной горячкой, которая была сродни золотой, охватившей Калифорнию, Клондайк, Австралию.

Они поделили алмазоносные земли на небольшие квадратные участки, которые делали местность похожей на гигантскую шахматную доску. Искатели алмазов, набросившиеся в исступлении на эти клочки драгоценной земли, рыли ее, перетряхивали, и знойный ветер подымал к небу облака горячей пыли и песка. Ямы становились все глубже, кучи отработанного грунта делались все выше, а переплетение тросов, по которым непрерывным потоком двигались мешки с песком, становились все гуще и придавали прииску вид обезьянника под металлической сеткой.

Туземцы на первых порах были удивлены наплывом оборванных, изголодавшихся рыцарей удачи, но потом и сами вовлеклись в порочный круг стяжательства.

Добыча природных алмазов была невероятно тяжела и сопровождалась бессовестной эксплуатацией местного населения. Известный французский путешественник и писатель Луи Буссенар так описывает жестокий и сводящий с ума азарт добычи алмазов: «На дне глубоких ям с усердием муравьев работают оборванные люди. Они роют, копают и просеивают размельченную землю. Их черные, белые или желтые лица покрыты грязью, пылью и потом. Кожаный мешок бежит наверх. Возможно, в нем целое состояние. Время от времени происходит обвал, или обрывается камень, или падает вниз тачка. Раздается крик ужаса и боли, и, когда кожаное ведро снова поднимается на поверхность, в нем лежит изуродованное человеческое тело. Какое это имеет значение? Главное – алмазы! Гибель человека – происшествие незначительное».

Ни смерть, ни болезни здесь не имеют значения. Чувство меры давно оставило этих одержимых. Кое у кого уже припрятано целое состояние где-нибудь в земле или под палаткой, но он ходит босой, в лохмотьях, ест сухари. А ночью этот безумец лихорадочно перебирает свои сокровища, любуясь игрой голубых, зеленых, желтых искр, пронизывающих чудесный камень-искуситель, и высчитывает размеры своих богатств.

Представьте себе, как должна была ошеломить охотников за алмазами весть о получении Хэннеем искусственных алмазов! Зачем же ехать за тридевять земель, глотать раскаленную пыль и искать сокровища или смерть в знойной земле, когда легкого богатства можно добиться у себя дома при помощи несложных манипуляций! Новый способ добычи алмазов привлек на свою сторону не меньше жаждущих, чем старый. Среди них были и настоящие ученые и шарлатаны. В течение ста лет до Хэннея и после него научная общественность время от времени переживала приливы алмазного ослепления. Люди зачитывались сенсационными сообщениями об очередном успехе в получении искусственных алмазов. Но все было напрасно...

Добыча алмазов искусственным путем, которая поначалу казалась более легкой, принесла ученым годы тяжких и мучительных раздумий, поисков, ошибок. Энтузиасты искусственных драгоценных кристаллов шли трудным путем. Они тоже не раз в задумчивости перебирали алмазы, упиваясь радугой их игры. Но в сиянии драгоценных камней им чудился не блеск роскоши. Их взор в сверкающей глубине алмаза искал призрак совсем иного вещества, схожего с углем. Рядом с блистательным камнем им мерещились бархатно-черные глубины ничем не примечательного материала – графита.

Алмаз и... графит? – спросите вы. Переливающийся всеми цветами радуги драгоценный камень и скромный графит? Что между ними общего, почему всплывали они вместе в мыслях ученых? Что может быть более противоположно, чем эти воплощения света и мрака! Один материал щедро излучает свет, искрясь и переливаясь изумительными оттенками.

Другой – жадно поглощает все лучи, скрывая их в своей угольной глубине.

Но ученые знали: как это ни парадоксально, в этих двух столь различных материалах скрыто глубокое единство. Алмаз и графит, несмотря на то, что один – прозрачный, другой – черный, один – самый твердый в природе материал, другой – странно мягкий, несмотря на столь различный вид и свойства, фактически одно и то же. Это всем знакомый углерод.

«Трубки взрыва»

...Да, ученые давно поняли, что и графит и алмаз природа лепит из одних и тех же атомов углерода. Они знали, что простым нагреванием можно легко превратить алмаз в графит.

Вот эта-то легкость и заставляла многих думать о простоте обратного превращения. Но увы!.. Никакие усилия не помогали. Как ни нагревали графит, как ни сжимали его – алмаза из него не получалось.

И как это только удается делать природе, вздыхали неудачники. И что только происходит в подземных мастерских, где изготавливаются почти все материалы, которыми пользуются люди?

Об этом можно было размышлять, спорить, гадать, но проверить свои догадки до сих пор невозможно. И в этом сказывается парадокс нашего времени: человек полетел в космос намного раньше, чем смог проникнуть в глубь Земли хотя бы на десяток километров.

Однако люди научились воспроизводить процессы, происходящие на звездах, гораздо раньше, чем приблизились к ним. Ядерные реакции уже скопированы на Земле в миниатюре.

Поиски путей получения искусственных алмазов приводили к попыткам создать в лабораториях условия, царящие в недрах Земли, к попыткам овладеть одной из важнейших сил природы – высоким давлением.

...Через тайгу и болота, вдоль бурных рек и отрогов гор вел охотников за алмазами красный след пиропов – верный признак близости алмазоносных пород. А где-то недалеко – опытные исследователи это твердо знают – выходят на поверхность и сами кимберлиты – голубоватые алмазоносные породы. Когда-то впервые эти породы были обнаружены в Южной Африке близ города Кимберли. Этот город и дал свое имя драгоценной породе.

Как оказалось, кимберлит образует своеобразные «трубки взрыва» в других породах. Они похожи на гигантские колодцы, только заполнены не водой, а драгоценной алмазоносной породой. До сих пор неизвестна глубина этих колодцев, но иногда исследователям удается проследить их на протяжении многих километров.

Размышляя над загадкой глубинных взрывов, рождающих драгоценные зерна алмазов, ученые пришли к любопытному выводу. Что, если алмазы образовались из углерода, растворенного в расплавленном кимберлите? В условиях высоких температур и очень высоких давлений он вполне мог кристаллизоваться в виде алмаза. А затем в результате прорыва этих пород алмазы были подняты на земную поверхность. Такие алмазоносные трубки и были некогда найдены в Южной Африке, Америке, Австралии. Такова и знаменитая трубка «Мир», найденная у нас в Сибири.

Вот почему все охотники за искусственными алмазами прежде всего использовали испытанный метод – взрыв.

Исключение составлял, пожалуй, лишь один из исследователей – француз Муассан. Он знал, что алмазы находили в метеоритах – обломках далеких звездных миров. Слышал он и о том, что алмазы встречались не во всех метеоритах, а только в тех, которые состояли из почти чистого железа. Вот Муассан и решил попытаться сделать искусственные алмазоносные метеориты. Он расплавил железо, бросил в него несколько кусков угля и через некоторое время быстро охладил это варево водой. Представьте себе, Муассан объявил, что добился успеха! По его словам, ему удалось таким путем получить искусственные алмазы. Но опять-таки странное дело: сколько ни бились другие ученые, повторить опыт Муассана им не удавалось. Вернее, опыт-то они повторяли, и даже очень тщательно, только алмазы при этом не получались.

Как ни мудрили охотники за искусственными алмазами, обогатиться на этом поприще им так и не удалось. Результаты опытов были ничтожны. В лучшем случае это были дешевые блестящие камешки. Но чаще всего трудоемкие эксперименты дарили лишь золу и пепел. Сколько же было истрачено зря полезных и ценных материалов!

Впрочем, совсем не зря. Бесценными для науки оказались сами опыты. Они помогли родиться физике сверхвысоких давлений.

От охлаждения к сжатию

В тридцатых годах нашего столетия физики и химики начали уделять особое внимание изучению веществ при очень низких температурах.

Казалось крайне заманчивым заглянуть внутрь вещества, скованного морозом, когда его обычно подвижные, «полные жизни» атомы как бы впадают в зимнюю спячку. Тогда они меньше взаимодействуют между собой, их легче «рассмотреть», удобнее изучить.

Ученые, которые выбрали своей специальностью физику низких температур, занимали в науке особое место. Они, пожалуй, несколько напоминали... охотников за тайнами морского дна. Исследователь подводного мира не станет спускаться на дно в сильную волну. Ему будут мешать песок, ил, обрывки водорослей, замутившие воду. Нет, для знакомства с жизнью моря он выберет тихий день, когда вода прозрачна и ясно видно каждое движение подводных растений, легко наблюдать повадки крупных рыб и даже маленьких рачков, креветок и мальков.

Для охотников за тайнами, скрытыми в глубинах вещества, тоже важна «погода» в этом своеобразном мире. Чем выше температура, тем оживленнее ведут себя атомы и молекулы, из которых состоит тело. И в этом интенсивном общем движении частичек материи теряются, скрываются от глаз наблюдателя особенности жизни каждой отдельной частички. А ведь от них зависят поведение и особенности всего вещества в целом.

Вот почему ученые прибегли к охлаждению веществ. Они правильно предположили, что при этом станут более доступными тонкие эффекты поведения отдельных частичек.

Первая лаборатория по изучению низких температур в Советском Союзе была открыта в Харькове. Она стала центром притяжения многих талантливых молодых физиков. Среди них был и Леонид Федорович Верещагин, ныне действительный член Академии наук.

– Основной трудностью, с которой столкнулся коллектив лаборатории, – вспоминает Леонид Федорович, – была проблема глубокого охлаждения. Нас особенно интересовала, конечно, самая низкая в природе температура или хотя бы близкая к ней. А это минус 273 градуса Цельсия, или абсолютный нуль по шкале Кельвина. Получить такую температуру очень трудно. Для этого надо строить громоздкие машины искусственного климата, в которых можно было бы создать более чем арктический мороз. И вот однажды у нас появилась идея. Тело при охлаждении уменьшается в объеме. А при очень низкой температуре вещества сжимаются особенно сильно. Холод поступает с ними точь-в-точь как высокое давление. Вот мы и подумали: охладить вещество сложно и трудно. Так не удобнее ли заменить охлаждение сжатием?

И Леонид Федорович рассказывает об одном из самых первых опытов.

В сосуде – кислород. Его не видно – это бесцветный газ. Но вот сосуд ставят в установку искусственного климата. Сильно охлажденный кислород превращается в бледно-голубую жидкость. Скорость хаотического движения молекул уменьшается, газ как бы застывает. Если сосуд встряхнуть, будет полное впечатление, что в нем подкрашенная вода.

Годами для получения жидкого кислорода и других газов ученые пользовались специальной сложной аппаратурой.

Но вот однажды, вместо того чтобы поместить кислород в машину искусственного климата, его сжали поршнем. Сначала газ оставался бесцветным. Тогда его сжали еще сильнее. Кислород начал голубеть, послушно превращаясь в жидкость.

Первые же опыты применения высокого давления вместо низкой температуры для изучения строения вещества убедили в огромных перспективах нового метода.

Верещагин страстно увлекся новой областью физики. Где только можно, он заменял охлаждение сжатием. Одно за другим он исследовал новым методом самые различные вещества: жидкости, газы, твердые тела. Об опытах молодого физика заговорили. Его попросили доложить о своей работе в Москве.

Доклад харьковчанина услышал академик Зелинский и просто «заболел» высоким давлением. Это был удивительный человек, его недаром считали классиком органической химии. Широко образованный, влюбленный в науку, он чутко прислушивался к веянию времени. Маститый химик считал, что для изучения веществ необходимо сочетать физические и химические методы, что введение физических методов исследования и воздействия на вещество послужит ключом к развитию' химии будущего. Конечно, любил говорить он, вовсе не обязательно химикам становиться физиками, а физикам химиками. Но они должны дополнять друг друга, действовать согласованно на трудных дорогах, ведущих в мир атомов и молекул.

Зелинский создал в руководимом им тогда Институте органической химии Академии наук СССР лабораторию сверхвысоких давлений, возглавить которую пригласил молодого харьковского ученого. Так была создана первая в Союзе лаборатория сверхвысоких давлений, которая превратилась в 1954 году, уже после смерти академика, в самостоятельную организацию, а с лета 1958 года в Институт физики сверхвысоких давлений Академии наук СССР.

Горячий лед

Когда ученые заглянули в глубь вещества, сжатого со всех сторон высоким давлением, им открылся мир удивительных превращений. На их глазах знакомые вещества исчезали и появлялись новые, с иными свойствами и характерами.

Исследователи сдавили желтый фосфор, и он превратился в черное вещество с новыми физическими свойствами. Оно имело металлический блеск и с несвойственной желтому фосфору резвостью и охотой проводило электрический ток.

Однако химический анализ показал, что черное вещество состоит из тех же самых атомов фосфора, что и желтое. В результате сжатия родился новый, черный фосфор.

Ученые сжали лед и с удивлением обнаружили, что знакомый нам лед – только лишь одна из семи его разновидностей! Один из видов, сжатый высоким давлением, мог плавиться даже на морозе. А другой, стиснутый сорока тысячами атмосфер, невозможно было растопить даже в кипятке!

Так что выражение «холодный как лед» не очень-то отражает положение дел в природе. Кроме льда холодного, как это ни странно, равноправно существует и горячий.

Но особенно изумились исследователи, когда высокое давление превратило серое олово – полупроводник в белое – металл! А когда то же случилось и с теллуром, стало ясно, что это превращение не случайность, а какая-то пока скрытая закономерность.

Началась полоса неожиданностей. Ряд металлов под высоким давлением повел себя более чем странно. Некоторые из них вдруг становились хрупкими, как стекло, или мягкими, как резина, или, наоборот, твердыми, как алмаз. Кусок калия, например, сжатый до 100 тысяч атмосфер, уменьшился в размерах чуть ли не втрое, а рубидия – вдвое.

В обычных условиях цезий податливее алмаза в сотни раз. Образец из цезия можно уменьшить в размерах раз в триста по сравнению с этим кристаллом. Но при 30 тысячах атмосфер цезий вдруг становится таким крепким, что уступает алмазу очень немногим. Податливость его уменьшается в тысячи раз.

При давлении в 100 тысяч атмосфер легче всего сжимается металл барий, но и он немногим уступчивее алмаза, всего раз в десять.

Чем выше было давление, достигнутое при исследовании, чем сильнее сжималось вещество и чем теснее становилось в нем атомам, тем большим становилось число новых, неожиданных явлений.

Белые карлики

Особенно загадочным казалось то, что с ростом давления поведение самых различных элементов становилось все более схожим.

В чем же разгадка этого необыкновенного явления? – недоумевали исследователи. Как это давление уравнивает самые несхожие вещества? Полупроводники делает металлами, мягкие металлы равняет по крепости с алмазом?

Чтобы разобраться в этом, ученые просветили исследуемые вещества рентгеновыми лучами, как просвечивает врач организм больного.

При помощи рентгеновых лучей ученые воочию убедились в необыкновенной силе воздействия высокого давления. Оно способно насильственно приблизить друг к другу атомы вещества, способно сдавить их так, что исчезнут все свободные участки между ними. Такие условия существуют только в звездах. На Земле ученые не добились таких результатов. При космических давлениях молекула превращается в плотно сжатый комок атомов. При давлениях в десятки и сотни миллионов атмосфер начинается переход к так называемому «раздавленному атому».

Кто не слышал о диковинных «белых карликах» – звездах, сжатых силами тяготения до такой степени, что большинство атомных ядер, оголенных, освобожденных от электронных оболочек, как бы слипаются в один гигантский комок. Наперсток такого вещества весит столько, что его не увезет ни один локомотив.

Но ученые уверяют, что и это не предел сжатия материи. Возможно так спрессовать ее, что будут деформироваться даже ядра атомов. Ядерные частицы – нейтроны и протоны, сминая оболочки соседних частиц, вдавливаются в них, ломая и переделывая их структуру. Из такой обнаженной материи должны состоять гиперонные звезды, если они существуют. В таком состоянии материи оголены и прижаты друг к другу даже еще не изученные ядрышки протонов и нейтронов. И наперсток такого вещества весил бы десятки миллиардов тонн.

В последнее время возникла удивительная гипотеза относительно поведения материи в столь сильно спрессованных, звездах. Научный сотрудник Физического института Академии наук СССР Д. Киржниц путем математических расчетов пришел к выводу, что при звездных температурах в миллионы градусов спрессованное вещество, из которого состоят звезды, представляет собою вовсе не раскаленный газ, а... кристалл.

Это предположение кажется просто парадоксальным. Ведь при звездных температурах атомы движутся с огромной скоростью. Их скорость – около 100 километров в секунду (а это ведь в 10 раз превышает скорость космической ракеты) – не позволяет атомам остановиться, удержаться на месте. Так как же они могут связаться в кристалл? Какие силы могут упорядочить, приостановить стремительное движение атомов?

Д. Киржнин, проанализировав полученные уравнения, доказал, что сверхвысокое давление, существующее в центрах звезд, буквально делает чудеса. При сверхвысоких плотностях вещества появляются силы, способные «остановить» атомы, способные выстроить их в порядок, характерный для кристаллического твердого тела.

Именно в центрах «белых карликов» и существуют подходящие для кристаллизации колоссальные сжатия, и поэтому, по мнению ученого, их раскаленная сердцевина – это кристалл. Гипотеза Д. Киржница ставит перед учеными пока неразрешимые вопросы о непостижимом поведении материи под действием колоссальных давлений.

Это происходит при почти крайних давлениях, существующих в природе. Что же удивительного в том, что даже при давлениях, достижимых в лабораториях и не превышающих пока сотни тысяч атмосфер, поведение вещества не похоже на обычное.

Как солдаты в строю

Особенно удивило ученых поведение твердых кристаллических тел, сжатых высоким давлением. Если сжатый газ превращается в жидкость, а жидкость в твердое тело, то как же действует высокое давление на кристаллическую решетку? – не раз задавали себе этот вопрос физики. Просветив одно из кристаллических тел, хлористый рубидий, рентгеновыми лучами, они увидели необычайно любопытную картину.

Хлористый рубидий – одно из распространенных неорганических соединений, по свойствам напоминающее поваренную соль. Атомы хлора и рубидия расположены в его молекуле удивительно конструктивно, словно пчелиные соты. Представить себе эти построения очень просто.

Нарисуйте куб. На пересечении его ребер, в углах, а также в середине граней нарисуйте по одному маленькому кружочку. Эти места занимают атомы рубидия. В середине ребер и в самом центре куба поместите кружочки поменьше. Это атомы хлора. Такая картина соответствует расположению атомов 'в кристаллической решетке хлористого рубидия при атмосферном давлении. Как говорят кристаллографы, атомы хлора и рубидия образуют кубическую решетку с центрированными гранями.

Теперь представьте себе, что на этот крошечный кубик обрушивается молот и сжимает его с силою 5 тысяч атмосфер.

Конечно, вы не сомневаетесь, что кубик смят, уничтожен, от него не осталось даже «мокрого места»! Однако...

...В минувших веках полководцы, готовясь к бою, расставляли армию в строгом порядке, придавая строю наиболее маневренную и боеспособную форму. И атомы в твердом теле, будто солдаты в строю, занимают каждый свое определенное место, создавая причудливый узор кристаллической решетки. Оказывается, эти ажурные построения атомов твердого тела необыкновенно прочны. Даже под очень высоким давлением солдаты-атомы не разбегаются. Под напором противника они дисциплинированно перегруппировываются в более плотные построения, занимая еще более организованную обороноспособную позицию!

Именно это и случилось с атомами в молекуле хлористого рубидия, которые мы подвергли жестокому испытанию. Сжатые чудовищным давлением, они внезапно перестроились и заняли новое положение, более экономичное с точки зрения занимаемого объема. Они образовали новую решетку, тоже кубическую, но в отличие от первой в ней уже нет атомов в центре каждой из граней. Зато в центре каждого куба, образованного восемью атомами рубидия, появилось по дополнительному атому рубидия. Этот тип структуры называется объемно-центрированной решеткой. Точно такие же объемно-центрированные кубы образуют при этом атомы хлора. При таком расположении атомов в кристалле меньше свободного места. Давление упаковало атомы вещества более экономно.

Можно сказать, что давление ловко использовало возможность, которую создают люди, когда хотят сэкономить место при упаковке громоздких предметов. Чтобы перевезти с одного места на другое механизмы, приборы или мебель, мы часто разбираем их на отдельные детали. При этом можно достичь более плотной упаковки.

Давление тоже воспользовалось тем обстоятельством, что атом, эта ажурная конструкция, очень неэкономичен с точки зрения упаковщика. Образно говоря, в атоме так же много свободного места, не занятого ядром и электронами, как в стакане, в котором летает лишь несколько пылинок. Вот давление и разобрало неэкономную конструкцию и сложило из ее деталей более совершенную и стойкую.

Цель достигнута

Рентгеновы лучи, позволившие расшифровать структуру кристаллической решетки хлористого рубидия и других веществ, открыли и тайну алмаза. Они показали, наконец, в чем состоит отличие алмаза от графита.

Оказалось, в графите атомы углерода образуют плоские слои, в каждом из которых атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников, напоминающих бетонные плиты, которыми покрывают взлетные полосы современных аэродромов. Атомы, лежащие в соседних слоях, связаны между собой слабо.

В алмазе атомы углерода образуют пространственную решетку, в которой атомы сильно связаны между собой во всех направлениях.

Ученые убедились, что перегруппировка атомов углерода в более стойкую формацию и рождает алмаз.

Работа закипела с новой силой. Так, значит, строили планы охотники за алмазами, нужно изменить расположение атомов в графите и сделать его таким же, как в алмазе. Вот и все! Для этого надо расшатывать атомы в кристаллической решетке графита высоким давлением до тех пор, пока они не перескочат на свои новые места.

Поиски путей получения искусственных бриллиантов продолжались. Известный американский физик П.В. Бриджмен решил подвергнуть графит очень высокому давлению. Он довел давление до грандиозной в земных условиях величины – до 400 тысяч атмосфер. Но он совершил ошибку – проводил опыты при комнатной температуре, и они не дали желаемого результата.

Советский ученый О.И. Лейпунский путем теоретических изысканий подтвердил, что графит можно превратить в алмаз только при одновременном действии высокого давления и высокой температуры. По его подсчетам, температура должна быть не меньше 2 тысяч градусов Кельвина, а давление не ниже 60 тысяч атмосфер.

И вот трое зарубежных ученых: Гунтер, Гезелле и Ребентиш нагревают графит до температуры в 3 тысячи градусов Кельвина, затем сжимают его под давлением в 120 тысяч атмосфер, и... ничего не получается. По их мнению, опыт длился слишком малое время, и графит не успел перекристаллизоваться в алмаз.

Чем больше бились ученые над проблемой получения искусственных алмазов, тем больше приходили к мысли, что они никогда не были получены в лабораторных условиях. Тем более они не могли быть добыты в условиях, при которых проходили опыты Хэннея и Муассана. Однако исследования продолжались.

Особенно активно поиски путей получения искусственных алмазов велись в США. Ведь там нет таких природных алмазных россыпей, какие есть у нас, в Южной Африке, Индии, Бразилии. В США алмазы ввозились из-за границы и стоили недешево.

Потребность же промышленности в алмазах очень велика.

Алмазные сверла, резцы, фрезы для бурения самых крепких пород, инструмент для правки шлифовальных кругов, наконечники к приборам измерения твердости и чистоты поверхности, пилы для резки гранита и мрамора, подшипники для особо точных приборов и морских хронометров – вот далеко не полный перечень применения алмазов в технике. Это ставило алмазы на одно из первых мест в списке стратегического сырья США. Начиная с 1941 года поиски искусственных алмазов считались одним из центральных научных направлений.

Более четырех лет группа ученых: Бенди, Холл, Стронг и Вентроп, работавших в «Дженерал электрик компани», трудилась над созданием аппаратуры, в которой можно было бы в течение 6...8 часов поддерживать давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 2300 градусов Кельвина. И они добились успеха.

В результате действия трех факторов: давления, температуры и времени – удалось получить искусственные алмазы величиной в четверть карата с линейными размерами до одного и более миллиметров. Рентгеновский анализ подтвердил полную тождественность этих алмазов с естественными.

Более ста раз опыты получения искусственных алмазов были повторены, и каждый раз с положительным результатом.

Прошло немного времени, и искусственные алмазы были получены советскими и шведскими учеными.

Создать в лаборатории такие условия, при которых этот процесс идет в недрах Земли, – большая победа человека.

Правда, искусственные алмазы желтого цвета. С ювелирной точки зрения это снижает их ценность.

Но зато они заметно тверже естественных. Абразивные круги из синтетических алмазов по своей работоспособности на 30...60 процентов выше, чем из природных. Инструмент из искусственного алмазного порошка очень прочен. А это особенно ценно для технических целей.

Стоимость этих алмазов пока высока. Но сам факт их искусственного получения бесценен для науки.

Тверже алмаза

Еще не улеглось волнение в связи с этим техническим достижением, как к желтым кристалликам алмаза ученые добавили еще черные и темно-красные искусственные кристаллы. Но это уже были не алмазы, а полученные аналогичным путем образцы нового материала. Он так же, как и алмаз, имел кристаллическую решетку в виде куба, но состоял не из атомов углерода, а из атомов бора и азота. Новое вещество назвали боразоном. Природа его не знает.

Боразон еще тверже алмаза. Он не только оставляет царапины на алмазе, но и более устойчив к действию высокой температуры. Тогда как алмаз сгорает уже при 1060 градусах, боразон и при 2500 градусах полностью сохраняет все свои замечательные свойства и работает так же хорошо, как при комнатной температуре. Боразон устойчив и к окислению.

Пока кристаллы боразона не крупнее зерен песка. Но, вероятно, уже не долго ждать, когда промышленность получит новые стойкие резцы, фрезы и другой режущий инструмент из искусственных кристаллов боразона.

Ученые считают, что боразон и алмаз – это первые звенья в целой цепи материалов с подобными свойствами и их получение – дело наших дней. Получение искусственных материалов, подобных боразону, – величайшее торжество метода научного предвидения. Это открывает развитию техники небывалые горизонты. Если до сих пор люди использовали лишь те материалы, которые предоставляла им природа, или подражали ей, создавая в своих лабораториях искусственным путем известные уже вещества, то теперь они вступили на новый путь. Этот путь – изготовление неизвестных до сих пор материалов с наперед заданными свойствами, диктуемыми запросами науки и техники.

Можно назвать многие области техники, где ее прогресс задерживается из-за отсутствия подходящих материалов. И вот первый шаг уже сделан. Применение высокого давления помогло ученым разобраться в физических свойствах веществ, в поведении мельчайших кирпичиков-атомов, из которых они построены, и научило предвосхищать свойства тех материалов, которые возродятся из «пепла» разрушенных давлением исходных веществ. Теперь человек сможет сознательно управлять этим процессом, назначать будущему материалу нужные качества.

В поисках и ошибках, победах и заблуждениях рождалась новая область физики – физика высоких и сверхвысоких давлений. Новая область науки открыла перед техникой небывалые горизонты и позволила ученым соперничать с природой.

В нашей стране физика высоких давлений зародилась недавно, лишь в тридцатых годах, но теперь она уже добилась результатов, намного превосходящих по своему значению даже синтез искусственных минералов и драгоценных камней.

Советские ученые, решая алмазную проблему, увидели в ней совсем иную перспективу. По-настоящему их волновала другая сторона той же самой алмазной задачи, которая привела к гораздо более важным результатам.

Нечто многообещающее в алмазной проблеме советские ученые увидели еще тогда, когда физики всего мира ломали головы над труднейшей задачей: из какого материала изготовить печь, которая не разорвалась бы от внутреннего давления в 100 тысяч атмосфер и не сгорела бы от температуры в несколько тысяч градусов?

Все попытки создать такой аппарат долго терпели неудачу.

Прошло немало времени, пока ученые нашли решение, на первый взгляд странное, но оказавшееся единственно правильным.

Горшок для каши

В народе говорится: «Чтобы сварить кашу, нужен горшок».

Стекло, например, не сваришь в обычной печи. Для него строят специальные сооружения из огнеупорного кирпича, выдерживающего температуру в 1500 градусов, при которой варится расплавленная стекломасса.

Бессемеровские, доменные, мартеновские печи тоже покрываются изнутри слоем огнеупорного материала.

Но как сложить печь, которой были бы нипочем и огромнейшая температура и чудовищное давление? А без такой печи не получишь ни алмаз, ни другие подобные ему новые материалы.

Решить эту сложнейшую проблему ученым помогло... само давление. Слышали ли вы о батавских слезках? Эти изящные, затвердевшие в виде «запятых» капельки стекла когда-то пользовались большим спросом. На вид они такие хрупкие, маленькие головастики с тонким хвостиком. Кажется, дотронься, и они рассыплются. Но ничуть не бывало. Можно ударить молотком по их утолщенной части, а слезка останется невредимой.

Правда, и у них есть ахиллесова пята, слабое место. Стоит слегка поцарапать поверхность или отломить хвостик – и слезка вмиг рассыплется на множество осколков. Да с такой силой, что, если это случится в стакане с водой, он разлетится, как при взрыве.

В чем же здесь дело? Что это за чудесные стеклянные бомбочки? Оказывается, все обстоит очень просто и никакого чуда здесь нет. Секрет – в способе изготовления этих слезок. Средневековые стеклодувы лили горячие капли жидкого стекла в бочку с водой. Это закаляло слезку сразу же при рождении. При быстром погружении в холодную воду поверхность стекла, охлаждаясь скорее, чем его внутренние области, сжималась и, как перчатка или броня, стягивала всю слезку, делая ее очень прочной. Лишь царапина могла нарушить целостность брони.

Как видите, стекло остается стеклом. Оно лишь обрело несвойственную ему крепость благодаря остроумной выдумке.

Доверять ли привычкам?

Ученые, которые хотели работать с высокими давлениями и температурой, понимали, что они тоже, как стеклодувы, должны найти какой-то выход из положения. Найти простой и остроумный способ повысить прочность металлов.

Им надо было создать устройства, в которых существовали бы условия, царящие в недрах Земли.

Однако даже самые высокопрочные материалы, изготовляемые промышленностью, не в состоянии выдержать исключительно высоких напряжений, возникающих в стенках сосуда высокого давления, когда величина давления превосходит 30...50 тысяч атмосфер.

И наши ученые подумали: а правильно ли мы делаем, что так доверяем своим привычкам, так держимся за устоявшиеся понятия?

Конечно, все давно привыкли к тому, что одни материалы хрупки, другие же легко изгибаются, пластичны. Мрамор издавна считается материалом прочным, но хрупким, а сталь прочной и пластичной. Но ведь эти качества вовсе не навеки закреплены за этими материалами. И действительно, жизнь на каждом шагу опровергает устоявшиеся, но неверные понятия.

Однажды академик А.Ф. Иоффе, погрузив в воду пластинку каменной соли, обнаружил, что эту хруп' кую пластинку можно свободно изгибать. Хрупкий кристалл неожиданно приобрел пластические свойства.

Незадолго до второй мировой войны американский ученый Бриджмен поместил в жидкость, находящуюся под давлением в 25...30 тысяч атмосфер, серый чугун, и этот известный своей хрупкостью материал также стал пластичным.

Образцы из бериллия, глинозема, известняка при таких опытах изгибались, не ломаясь, и проявляли исключительную пластичность.

Опыты со сталью тоже поразили ученых. Обычно при атмосферном давлении стальной образец разрушается, если его удлинить в два, три раза. При давлении же в 25 тысяч атмосфер этот образец можно было растянуть в 300 раз, и он не разрушался! Эти опыты повторялись с различными сортами стали. Результаты были различны, но характер одинаков; пластичность и прочность стали резко повышались.

Это в корне ломало устоявшиеся веками представления. Что ж, подумали ученые, в конце концов такие понятия сложились при наблюдении материалов при обычном атмосферном давлении. Где-нибудь на дне океана под большим давлением они, наверно, приобрели бы совсем иные свойства.

Это была только мысль, только предположение, идея, которая требовала экспериментов и длительного изучения. Пока это было только предчувствие, которое привело в конце концов к важнейшей технической победе.

Две стороны медали

Шла вторая мировая война. Рассказывая о работах американских ученых, Бриджмен вспоминает, что они в то время полностью переключились на решение военных задач. Артиллеристов волновала проблема упрочения брони танков. Это близко касалось проводимых Бриджменом исследований прочностных и пластических свойств материалов под давлением. Поэтому военное министерство с радостью финансировало такие работы.

Оно настоятельно рекомендовало Бриджмену заняться углубленным изучением проблемы прочности броневых плит. Так он вернулся к своим случайным довоенным опытам и решил выяснить секрет упрочения металлов, погруженных в жидкость.

Проблема прочности волновала многих других ученых.

Давно было замечено, что на практике прочность металлов почему-то всегда ниже, чем это предсказывалось теорией. Практически прочность на разрыв бывала в сотни, а иной раз и в тысячи раз меньше, чем следовало из расчетов. Почему же в вопросах прочности теория так сильно отличается от практики? Чем объясняется это досадное обстоятельство? Теоретики мучили этим вопросом практиков, а практики донимали теоретиков.

Ответ оказался простым. Конечно, на первый взгляд. В обычных металлах каждый сотый атом кристаллической решетки, можно сказать, сидит не на месте. И это, оказывается, подрывает крепость металла! Странно, не правда ли? Разве может разрушить здание выхваченная из него ветром песчинка или выпавший кирпич? Даже знаменитый египетский сфинкс вблизи Каира и тот уж сколько столетий стоит и не падает, хотя потрепало его немало дождей и ветров.

Но дефекты в куске металла не остаются неподвижными. Они блуждают, перемещаются, объединяются как им заблагорассудится. И при этом образуются микротрещины и другие нарушения структуры металла. Трещины под действием нагрузки разрастаются, становясь очагами разрушения.

И вот эти ничтожные дефекты делают современные материалы в десятки тысяч раз слабее, чем они должны быть!

– Вот почему броня так непрочна и уязвима для снарядов! – сокрушались ученые. – Вот почему так невелика прочность современных приборов и конструкций. Вот почему там, где теоретические расчеты позволяют обходиться проволочкой, конструкторы вынуждены применить трос. Вместо тонкого листа должны класть толстую плиту. Вместо ажурной конструкции ставить тяжелую форму! Сколько тратится лишних материалов, как усложняется конструкция современных станков и машин!

Так потребности военного времени форсировали работы ученых по изучению влияния давления на прочность сталей, которые в конце концов привели... к получению искусственных алмазов.

В то же время потребности строительства и промышленности форсировали работы советских ученых, которые привели не только к созданию искусственных алмазов, но к победе гораздо более значительной.

Стойкость хлебного мякиша

Открыв благотворное влияние жидкости на свойства металлов, ученые сделали аппарат для получения сверхвысокого давления из самых обычных материалов, зато поместили его в... жидкость. Да, в жидкость, которая, в свою очередь, была сжата давлением в 20...30 тысяч атмосфер. Не правда ли, удивительно?

Чтобы стена покосившегося дома не обрушилась, ее подпирают балками. Подобно этому, стенки прибора как бы поддерживаются со всех сторон жидкостью. Получается, что изнутри на стенки давит 100 тысяч, а снаружи 30 тысяч атмосфер. Значит, фактически стенки находятся под избыточным внутренним давлением 70 тысяч атмосфер. Конечно, это чудовищно много. Но прибор не разрушался. Почему же он приобрел такую замечательную прочность?

Оказалось, что под высоким давлением в металлах происходят своеобразные уплотнения. Трещины и раковины исчезают, поры затягиваются, разрывы сглаживаются точно так же, как в хорошо обкатанном хлебном шарике. Металл в таких условиях «здоровеет» и возрождается.

Более того, вода залечивает не только внутренние поражения металла. Она «зализывает» поверхностные раны и трещины, что также существенно упрочняет металл. Этим и объяснялись пластичность каменной соли в опытах Иоффе и удивительные результаты опытов Бриджмена.

Вот на эти-то обстоятельства и обратили особое внимание советские ученые. Они поняли, что в улучшении свойств металлов в жидкости не только ключ к получению искусственных алмазов, но, что гораздо важнее, ключ ко второму рождению металлов. Это открывает небывалые возможности для техники будущего.

Ученые поняли, что обыкновенные материалы можно поставить в такие условия, при которых они, как батавские слезки, приобретают несвойственную при обычных условиях прочность. Академик Верещагин рассказывает: – Когда стало ясно, какие изменения происходят в материалах при погружении их в жидкость, находящуюся под высоким давлением, мы начали мечтать сразу о многих вещах. Какие замечательные возможности для нашей, промышленности кроются в этом улучшении механических свойств металлов и сплавов! Нельзя ли, подумали мы, создать для металлургических заводов прокатные станы, целиком погруженные в жидкость, находящуюся под высоким давлением? При прокатке металлических листов на таких станах будет получен металл повышенной прочности, а это значит, что существенно расширятся возможности конструирования машин, приборов, аппаратов. При равной прочности уменьшится вес изделия, будут экономиться огромные массы металлов.

И коллектив нашей лаборатории создал такую установку. Этот прокатный стан находится в огромном резервуаре, заполненном жидкостью под высоким давлением. Работает он, конечно, без участия человека. Оператор находится в специальной комнате и следит за показаниями контрольных приборов.

Советские ученые решили заставить воду не только обрабатывать металлические листы, но и изготавливать из металлов различные сверхпрочные детали и проволоку.

Если вы бывали на металлургических заводах, то, наверно, видели, как вытягивают проволоку. Шурша и позванивая, разматывается огромная катушка, на которую намотана проволока. Эта катушка больше привычной катушки с нитками во столько же раз, во сколько дом больше собачьей конуры.

Разматываясь с одной катушки, проволока наматывается на другую. И так несколько раз. Но это, конечно, не бессмысленное перематывание. Перематываясь с катушки на катушку, проволока проходит через отверстие фильеры – металлического шаблона. С одной стороны фильера имеет большее отверстие, с другой – меньшее. Проходя через сужающийся канал фильеры, проволока сжимается и после каждой фильеры делается все тоньше. Так, пропуская проволоку через несколько фильер, ее доводят до нужного диаметра. Это один из распространенных в промышленности способов получения проволоки. Его называют волочением. При таком процессе проволока становится настолько плотной и твердой, что легко ломается; настолько хрупкой, что ее практически невозможно использовать. Для того чтобы проволока стала мягче, пластичнее, ее нагревают. Это неразумно, так как при нагревании проволока теряет прочность, приобретенную при волочении.

В Институте сверхвысоких давлений создана установка для получения прочной и в то же время пластичной проволоки. В этой установке проволока выдавливается через небольшое отверстие в жидкость, сжатую до 8 тысяч атмосфер. Проволока, полученная таким способом, уже не нуждается в отжиге – она и так прочна и пластична. Она вдвое прочнее проволоки, полученной волочением. При помощи той же установки можно получать не только проволоку, но и шестерни, трубы, фасонные детали. Для этого надо лишь сменить рабочий наконечник установки.

Как видите, наши ученые остроумно повернули алмазную проблему. Они научились обыкновенным материалам придавать несвойственную им высокую прочность. И с их помощью не только получили искусственные кристаллы, но создали новую технологию металлов, несущую революцию в технику будущего.

 

По следам оловянной чумы

Оглавление

 

Дата публикации:

27 мая 1999 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2018
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика