Если учесть то число интересных по своим качествам веществ, которым располагает человечество, то нетрудно сообразить, что количество смесей и комбинаций, используемых доселе, составляет лишь ничтожную часть того, что можно придумать. Так что число патентов, которые будут выданы на новые комбинированные материалы, будет расти в геометрической прогрессии еще многие годы.
Путь создания комбинированных материалов, объединяющих в себе твердость алмаза, гибкость резины, прозрачность хрусталя, электропроводность меди, магнитные свойства железа, легкость алюминия, является, думается нам, столбовой дорогой в технике.
Однако есть еще одна дорожка, даже не дорожка, а тропинка. Шагают по ней не техники, а физики. Речь идет о способах изменения сил взаимодействия между атомами одного и того же вещества.
Свойства тела определяются характером связи между составляющими его атомами. Эти силы, как говорилось выше, могут быть силами электрического притяжения и отталкивания, как в ионных кристаллах; это могут быть силы, возникающие при цементировании ионных остатков электронным газом, как в металлах; это могут быть силы направленной (валентной) связи между атомами.
Самые слабые силы — межмолекулярные. Если твердое тело построено из молекул, то разрушить его ничего не стоит. Яркий пример — нафталин, который «испаряется» при комнатной температуре. Крепче всего тела, атомы которых связаны валентными силами. Таков алмаз — символ твердости.
А нельзя ли сделать так, чтобы слабые силы взаимодействия заменить сильными? В принципе (а раз в принципе, наверное, и на практике) возможно.
Известно, что одно и то же вещество может существовать в разных модификациях. Прозрачный и твердый алмаз и черный, пачкающий руки графит построены из одних и тех же атомов углерода. Существуют желтая и красная сера, сильно отличающиеся своими свойствами. А сортов фосфора имеется целых пять. Молекулы воды при замерзании устраиваются шестью разными способами.
В Советском Союзе научились изготовлять искусственные алмазы, превращая в них дешевый графит. Такими превращениями мы меняем характер связи между атомами. Так что имеется возможность заставить атомы разных элементов соединяться по-разному.
Можно, к примеру, предсказать большое будущее еще одной модификации углерода.
В алмазе каждый атом протягивает четыре руки к своим соседям. Таким способом образуется трехмерная постройка, в которой атомы связаны одними лишь валентными силами. Ничего более крепкого не выдумаешь.
В графите каждый атом соединен валентными силами с тремя соседями. При такой связке создаются слои атомов. А как же ведут себя слои? Они притягиваются друг к другу самыми слабыми силами — такими, как в кристалле нафталина. По этой-то причине графит является хорошим смазочным материалом и идет на изготовление карандашей: его слои соскальзывают друг с друга от малейшего усилия.
Но из атомов углерода можно создать и цепочки. Часть атомов в таких цепочках будет иметь только двухвалентных соседей. Такой материал существует и представляет собой нити поразительной крепости. В отличие от хорошо известных капрона, нейлона и полиэтилена они, не разрушаясь, выдерживают огромные температуры. Исследователи возлагают на эти нити большие надежды. Сочетая их с какими-либо легкими пластическими материалами, удастся создать легкие, прочные и пластичные конструкционные материалы, которые будут пригодны для изготовления всевозможных приборов, аппаратов и даже необыкновенно легких самолетов. И, несмотря на то, что результаты исследований станут ясны лет через двадцать, работать в этом направлении необходимо неустанно.
Характер связи между атомами кардинально меняет свойства вещества, состоящего из этих атомов. Газ кислород, которым мы дышим, построен из двухатомных молекул. Но нет ничего противоречащего законам природы в допущении возможности синтеза кольчатых молекул кислорода, состоящих, скажем, из шести, а то и шестнадцати атомов. Вещество, построенное из таких молекул, будет жидким. Его можно будет налить в бутылку и взять с собой в альпинистский лагерь на вершину Эвереста.
Строго научная фантазия позволяет предположить, что будет найдена подходящая «искра», превращающая кольчатые молекулы в двухатомные, то есть в такие, из которых состоит тот кислород, которым мы дышим. Если так, то проблема кислородного голодания будет решена.
Создание не вполне стабильных атомных систем (вспомните наше сравнение нестабильной молекулы с мячом, застрявшим по дороге в долину во встречной яме) — увлекательная задача для физика. Вероятно, основными способами получения жидкого кислорода, металлического водорода, твердой, как алмаз, серы и так далее и тому подобное будет использование сверхвысоких давлений и сильных электромагнитных полей.
Срок жизни неустойчивых атомных построений может быть самым разным. Их существование зависит прежде всего от давления и температуры. При комнатной температуре олово может быть белым и серым. Оба сорта олова обладают разными свойствами и, разумеется, разной структурой. Но при низкой температуре происходит превращение. Об этом узнали на своем горьком опыте участники экспедиции Скотта на полюс Земли. При больших морозах сосуды, спаянные оловом, разрушились… Оловянная чума — такое название получил переход серого олова в белое — сыграла с ними свою роковую роль. При комнатной температуре эта болезнь развивается бесконечно медленно. Чем ниже температура, тем быстрее идет превращение. А при совсем низких температурах процесс может произойти мгновенно.
Итак, разные конструкции из одних и тех же атомов и молекул ведут себя по-разному. И физикам, которые занимаются поисками разных «ям» для одних и тех же веществ, предстоит еще много работы.
Каждое десятилетие приносит огромные успехи в создании новых материалов с замечательными магнитными свойствами. Одно из них — магнитную проницаемость — техники улучшают быстрыми темпами. Кажется, в два раза возрастает это важное для промышленности свойство каждые пять лет.
Магнитные свойства материалов характеризуют так называемой петлей гистерезиса, вид которой приведен в любом учебнике физики. Ученых, связанных с техникой, интересует как длина, так и ширина петли.
Варьируя их, они стремятся к двум целям. Чтобы, во-первых, в зазоре подковообразного магнита поле было как можно более однородным, то есть строго одинаковым во всех точках зазора. Во вторых, чтобы поле было сильным.
Нельзя сказать, что для достижения этих результатов еще имеются большие резервы. Исследователи уже близки к тому, чтобы выстроить параллельно магнитные «стрелочки» всех атомов сплавов кобальта, железа, никеля и марганца. И тогда будет получен предельно сильный постоянный магнит. Правда, есть одно «но». Теоретические расчеты показывают, что и в этом случае магнит будет не столь уж сильным. И чтобы усилить его, надо прибегнуть к электромагниту, то есть магниту с обмоткой, через которую идет ток.
Однако и постоянные магниты, пусть даже не очень сильные, нужны для разных областей техники. Достаточно напомнить, что качество микрофонов определяется качеством магнитов.
Все это довольно известные вещи; и поэтому стоит рассказать об одной линии действия науки, занимающейся улучшением качества магнитов, о которой читатель, возможно, не слыхал. Большие (многотонные) магниты высокого качества нужны для ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Что это за резонанс и зачем он нужен?
ЯМР — это мощный способ исследования структуры вещества. Если будет создан очень сильный и очень однородный магнит, то с помощью ЯМР удастся за какую-нибудь минуту узнать строение молекулы вещества и изобразить на экране, в какой последовательности связаны друг с другом ее атомы. Суть дела состоит в следующем.
У большинства атомных ядер (Я) имеется магнитный момент, то есть ядро ведет себя как магнитная стрелка (М). В зависимости от того, в каком окружении находится тот или иной атом, «магнитная стрелка» его ядра по-разному защищена от воздействия поля большого магнита, о котором идет речь. Это значит, что разные ядра находятся в отличающихся друг от друга собственных полях. Проведем мысленный эксперимент.
На исследуемое вещество, находящееся в зазоре магнита, наложим радиочастотное поле и начнем менять его частоту (сканировать — называют это действие). Все «магнитные стрелки» атомных ядер колеблются со своей собственной частотой, зависящей от того, в каком поле они находятся. А когда частота внешнего радиочастотного поля совпадает с собственной частотой ядра — стрелки, возникает резонансное (Р) поглощение. У каждого атома поглощение происходит при своей частоте. А она может быть зафиксирована приборами. Таким образом, зная изменение частоты внешнего поля, удается распознать все атомы.
Итак, хорошие сильные магниты — вещь полезная. Но, чтобы создать сильное магнитное поле, естественными магнитами не отделаешься. Нужны электромагниты, и притом со сверхпроводящей обмоткой.
Что такое сверхпроводимость, наверное, многие знают. Явление это открыто много десятилетий назад, но объяснить, почему при очень низких температурах электрический ток не испытывает никакого сопротивления в своем движении по проводу, удалось относительно недавно. При этом оказалось, что для создания теории не требуются новые принципы. Объяснение содержалось в законах квантовой механики, открытых, как известно, в 1926 году. Однако логическая дорожка, которая вела от генерал-закона к частному явлению сверхпроводимости, была покрыта густыми зарослями. Несмотря на то, что множество великолепных умов занимались ее поисками, удача открытия теории пришла более чем через тридцать лет. Американские физики Бардин и Купер, получившие Нобелевскую премию за создание теории сверхпроводимости, — люди высокоталантливые. Поэтому сказать, что им просто повезло, было бы несправедливо. Но нельзя забывать и того, что многие ученые (трудно, например, переоценить вклад, внесенный в проблему сверхпроводимости советскими физиками Л. Ландау, Н. Боголюбовым, В. Гинзбургом) подготовили почву, на которой выросла теория сверхпроводимости. Продолжая нашу аналогию со скрытой от глаз тропинкой, можно сказать, что исследователи, занимавшиеся проблемой сверхпроводимости до Бардина и Купера, обнаружили несколько несвязанных участков дорожки, а на долю будущих лауреатов выпало соединить эти отдельные участки в одну дорогу.