Надо, во всех случаях надо, что бы ни создал инженер — самолет или паровой котел, гидроэлектростанцию или гидравлический пресс, автомобиль или телевизор, — важнейшей характеристикой машины считать отношение веса ее к единице производительности. И только если это отношение оказывается ниже, чем у аналогичных уже существующих машин, считать машину новым словом в технике… Но мы отвлеклись…
Как же согласовать теоретическую прочность металла с ее практической прочностью? Почему между ними существует такой гигантский разрыв? Почему еще невозможно осуществление уэллсовской лестницы?
Лет двадцать— двадцать пять назад два ученых — английский физик Тэйлор и член-корреспондент нашей Академии наук Я. Н. Френкель — независимо друг от друга пришли примерно к одинаковому мнению по этому вопросу. «В металле, его кристаллической структуре, есть определенные несовершенства, структура их действительная не соответствует теоретической. Эти несовершенства и являются причиной их низкой прочности». Примерно таким был их вывод.
Попробуем разъяснить это следующим примером. Представьте себе комнату, заполненную футбольными мячами так, что их центры образуют вершины куба. Допустим, что мячи будут лежать не строго равномерно: в их расположении будут пропуски, места смещений и другие искажения точно математической укладки. Видимо, нечто подобное происходит и в кристаллической решетке металлов. В большинстве случаев металлы кристаллизируются в кубической системе, то есть атомы располагаются по углам куба. Определенные несовершенства в их укладке и вызывают катастрофическое падение прочности металла.
Сколько споров было вокруг этой гипотезы! Одни ее признавали, другие считали ересью. Но факты неумолимо подтверждали ее соответствие истине. Прежде всего совпала расчетная прочность металла, — если учесть имеющиеся в нем определенного вида несовершенства, их назвали дислокациями, — с той прочностью, которую мы имели в действительности. А затем этот затянувшийся спор в науке судом фактов, как всегда, был решен в пользу истины. Огромную роль при этом сыграли свидетельские показания электронного микроскопа. Дислокации, которые объявлялись несуществующими, а гипотеза о их существовании — слишком искусственной, удалось увидеть и даже заснять на кинопленку.
Дальнейшие, исследования выявили примерно такую картину. Дислокации получаются в металле в первые же мгновения его затвердевания з литейной форме. Оказывается, кристаллизация из расплава с образованием дислокаций идет с меньшей затратой энергии, чем без дислокаций. А затем, при дальнейшей обработке — ковке, прокатке, волочении металла — мы увеличиваем количество этих дислокаций.
Интересна и еще одна особенность. Минимальную прочность металл имеет при совершенно определенном количестве этих дислокаций. Если мы увеличим их количество — это происходит, например, при прокатке, — металл становится прочнее. Чем больше дислокаций — тем прочнее металл. Вот по этому пути — увеличения числа дислокаций — и шли наука и практика металлургии в последние десятилетия, не предполагая о существовании дислокаций.
Но от этого минимума прочности есть и другой путь к упрочению металла — уменьшение числа дислокаций. И этот путь гораздо эффективнее. Именно он может обеспечить нам создание материалов невероятной прочности.
Кстати, первые образцы такого материала без дислокаций уже получены. Правда, это пока лабораторные образцы, крохотные столбики чистого железа, выдерживающие растяжение не в 20 килограммов на квадратный миллиметр, как наше сегодняшнее «чистое» железо, а 1400 килограммов на квадратный миллиметр. Это почти фантастическая прочность, приближающаяся уже к той, которую предсказывают физики-теоретики.
Получают такой металл очень сложным методом. В специальной установке создается облако парообразного хлористого железа, нагретого до определенной температуры. Затем железо восстанавливается водородом. Водород соединяется с хлором, а атомы железа кристаллизуются на охлаждаемой пластинке в виде длинных кристаллов толщиной всего в несколько микронов. Эти нитеобразные кристаллы ученые назвали «усами».
Перед нами сейчас стоит задача — найти промышленную, применимую в заводских условиях, технологию изготовления такого бездислокационного металла. Если бы это удалось и мы начали выпускать большие количества такого металла, это бы было равносильно удвоению, удесятерению, увеличению в сотни раз мощности нашей металлургической промышленности. Инженеры XXI века, используя такой металл, будут расходовать его на тех же сооружениях в 10 и 100 раз меньше, чем расходуем мы сегод-нЯг Появятся кружевные мосты и невесомые самолеты, о которых сегодня уже имеют право мечтать не только фантасты, но и ученые,
Методы получения сверхпрочного металла ищем мы, ученые, в своих лабораториях. Но это отнюдь не значит, что он будет найден в академическом институте доктором технических наук, а не студентом или сварщиком, И чем больше людей включится в эту работу, тем скорее она будет выполнена.
По каким путям пойти в поисках этого метода — сейчас сказать трудно. Удивительной прочностью обладают молекулярные пленки — ну, например, стенка мыльного пузыря. Вероятно, в укладке молекул в таких стенках тоже нет дислокаций. Может быть, от молекулярных пленок, а не от железных «усов» надо идти в поисках металла, которому принадлежит будущее. Но я могу утверждать совершенно твердо: задача управления дислокациями в металле будет решена. Причем будет решена в самые ближайшие годы или десятилетия. Удивительные металлы, которые до этого существовали только в романах фантастов, станут реальностью. Техника вслед за наукой движется вперед все более убыстряющимся темпом. Все, конечно, видели на фотографиях первые автомобили начала этого века, похожие на пролетки, из которых выпрягли лошадей. Какими они кажутся примитивными! А я убежден, что автомобили конца века будут еще меньше походить на сегодняшние, чем наши походят на эти вчерашние пролетки. И одним из революционных решений, которые определят дальнейшее стремительное движение техники вперед, будет создание бездислокационного сверхпрочного металла.
А может быть, удастся найти метод уничтожения дислокаций в уже отлитом металле, в уже готовой детали. Может быть, какой-то новый вид обработки металла обеспечит нам это.
Здесь слишком много неизвестного — и еще больше может быть неожиданного.
Потомки двух химий
В Москве на Ленинском проспекте расположено скромное здание Института элементоорганических соединений. Это одна из крепостей, на которые опирается у нас в стране химическая наука, причисленная в наше время к ведущим отраслям естествознания.
Мы сидим в просторном кабинете заместителя директора института члена-корреспондента Академии наук СССР Василия Владимировича Коршака. Он рассказывает нам о том, как органическая химия создает новые материалы.
— Природа — очень экономный строитель, — говорит Василий Владимирович. — Все бесконечное разнообразие окружающего нас мира: царство минералов, растения, космические странники — метеориты, мы сами — все изумительное здание природы построено немногим более чем из сотни кирпичиков — химических элементов. Но не все они используются в равной степени. Некоторые из них и существуют-то лишь доли секунды в современных лабораторных установках, к помощи других природа прибегает гораздо чаще. И среди них самый интересный — углерод.
Поразительным качеством углерода является его необычайная «плодовитость». Изучением соединений углерода с другими элементами занимается специальная наука — органическая химия. Если число всех известных в настоящее время неорганических веществ составляет около 50 тысяч, то каждый месяц в химических лабораториях мира рождается несколько тысяч потомков углерода — органических веществ. И в настоящее время их известно несколько миллионов.
Чем же объясняется способность углерода давать такое большое количество соединений?
В первую очередь способностью атомов углерода соединяться друг с другом, образуя длинные прямые или разветвленные цепи или кольца различного размера. В состав этих цепей или колец могут входить также и атомы других элементов, поэтому многообразие органических соединений неисчерпаемо.
Особенно интересной группой органических соединений являются вещества, имеющие молекулы большого размера. Их молекулярный вес исчисляется тысячами и миллионами. Такие вещества называются высокомолекулярными соединениями или попросту полимерами.
Полимеры обладают различными свойствами. Одни тверды, но хрупки. Другие не боятся ударов, но мягки. Третьим не страшен огонь, но они очень непрочны. Ну, а если нужно получить вещество одновременно прочное, нехрупкое и негорючее? Искать новый полимер? Оказывается, необязательно. Учеными был разработан способ «прививки» одного полимера к другому. Иногда для этого полимеризуют вещество в присутствии другого полимера, а иногда используют рентгеновские лучи или поток радиоактивного излучения. Под действием излучения связи между атомами углерода расшатываются, нарушаются, и «вакантные места» занимает длинная цепочка молекул другого полимера. Так рождается новое вещество, обладающее заранее намеченными свойствами. Например, кремний-органический каучук очень боится бензина и масла. Под воздействием гамма-лучей к нему «прививают» маслостойкий акрилонитрил. После этого ему уже не страшны ни бензин, ни масло. Так химики «конструируют» материалы.
Метод прививок широко используется для получения устойчивых пленок, защищающих металл от ржавления, для изготовления различных видов клея, прочно соединяющего металлические детали, для выделки непромокаемых тканей и во многих других случаях.
Как вы думаете, можно ли растереть молекулу в ступе? На первый взгляд кажется, что нет. Коротенькую молекулу неорганических веществ в ступе действительно не растереть. Но если это гигантская молекула полимера, то картина резко меняется.
Не так давно химики обнаружили, что при интенсивном дроблении полимера цепочка молекул разрывается и образуются очень активные обломки — радикалы.