Репортаж из XXI века - Михаил Васильев

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.

Нам удалось прийти к интересному выводу: выяснилось, что и прочность и твердость вещества зависят вовсе не от его кристаллической решетки, как думали раньше, а от числа внешних электронов атомов. Это относится в полной мере и к металлам.

Чтобы нагляднее представить себе давления, которыми мы действуем на металл, вообразите, что ваша лаборатория находится на дне океана. Над вами—10-километровая толща воды. Давление чудовищное—1000 атмосфер…

Если это услышит физик, он рассмеется: «Ну что же здесь чудовищного? Нам нужно 25 тысяч атмосфер…»

В океане нет глубины с таким давлением. И придется нам поместить нашу лабораторию на дне фантастического, условного океана. Но такого, чтобы глубина у него была 250 километров! Только тогда мы получим давление, которое физики сочли бы сегодня достаточно большим.

Проделаем в нашей лаборатории на дне океана следующий опыт.

Возьмем латунный стержень, тот самый, который в обычных условиях, если его растягивать, рвется, ломается поперек, словно его перерубили ударом топора. Посмотрим, как он себя поведет под давлением 25 тысяч атмосфер. Ни один иллюминатор не выдержит такого страшного давления, поэтому нам, видимо, придется наблюдать, как закручивается стерженек там, в толще чудовищно сжатой воды, через специальное телевизионное устройство. Вот стержень начал растягиваться, но он не разорвался, как произошло бы на суше. Как только металл стал в центре стержня растягиваться, атомы его, уступая давлению воды, подались внутрь, к центру стержня, и латунный стерженек в этом месте стал на глазах суживаться, словно его перетянули невидимой, но могучей ниткой. Наконец стерженек истончился и разорвался на две половинки. Обе они в месте разрыва заточены остро, как карандаши.

Возьмем другой стержень — из серого чугуна и повторим опыт. У чугуна тоже образуется узкая перетяжка — «шейка». Запишем показание прибора: 78 процентов пластичности. Смотрите: металл растянулся почти вдвое.

А теперь достанем последний стерженек — из мрамора, хрупкого белого камня. Уже на глубине 100 километров, то есть при 10 тысячах атмосфер, на мраморе намечается «шейка», обнаруживается, что мрамор становится пластичным, может, как говорят, течь.

Нетрудно найти и практическое применение этому явлению. Уже сейчас холодный металл продавливают через узкое отверстие огромным давлением жидкости и получают отличную проволоку. Если же отверстию придать форму шестеренки или трубы и сдавить металл мгновенным высоким давлением, то готовое изделие вылетит из отверстия пулей, буквально со скоростью снаряда — 500 метров в секунду! Причем металл такой шестеренки или трубы будет сжат, упрочен, а на его отполированной поверхности вы не найдете ни одной стружки или зазубрины.

А разве не пригодится для производства особенность, подмеченная физиками: у одного и того же вещества при разном давлении может быть разная валентность. А то, что высоким давлением без всяких реактивов и при комнатной температуре удается разложить любой окисел? Конечно, все это найдет себе применение.

Два слова о температуре. Снижая температуру вещества, мы уменьшаем амплитуду собственных колебаний атомов и даем им возможность сблизиться, уплотниться. Объем вещества уменьшается. Но есть у температур предел, поставленный природой. Это температура абсолютного нуля (-273°). Техника получения глубокого холода так сложна, что для сближения атомов в веществе давлением пользуются чаще, чем температурой. Из металлов цезий поддается сжатию лучше всех других. Стоит подвергнуть его давлению в 12 тысяч атмосфер (технически это задача несложная), и расстояние между его атомами будет таким же, как при температуре -273°.

Давление неразрывно связано с температурой. И если мы хотим познать все свойства веществ, то надо не только подвергать их разным давлениям, но и обязательно менять температуру опыта. Только так можно исследовать размеры кинетической энергии атомов в разных условиях и расстояния между ними. И в этой области для физиков кроется еще много неведомых открытий, необитаемых островов, нерешенных проблем!

Высокое давление в сочетании с предельно низкими температурами может буквально творить чудеса.

Вы уже знаете, по-видимому, что физикам, сочетая технику глубокого охлаждения с давлениями, удалось при температуре -272,2° и давлении 2.6 атмосфер превратить в твердое тело гелий — исключительно важный для науки и промышленности газ.

Расчеты показывают, что с уменьшением расстояния между атомами, например, в кристаллах теллура облегчается возникновение свободных электронов и при давлении около 47 тысяч атмосфер теллур переходит в металлическую фазу. Советские специалисты П. Т. Козырев и Д. Н. Наследов обнаружили, что такое же превращение претерпевает и селен.

Известный английский физик Джон Бернал пришел к выводу, что можно перевести в металлическое состояние даже самый легкий элемент природы — водород.

Недалеко время, когда физики, воспользовавшись давлением около 80 тысяч атмосфер, получат металлический аммоний. Высокие давления позволяют получать сплавы в новых состояниях и с новыми свойствами.

Мы говорили уже о том, что пластичность металлов зависит не от того, как построена кристаллическая решетка вещества, а от числа внешних, валентных электронов. Это, конечно, не значит, что кристаллическую решетку можно вообще не учитывать, исследуя влияние высоких давлений. — Ведь при полиморфных превращениях под давлением возникают иногда и совершенно новые кристаллические формы. А от формы кристаллической решетки зависят многие важные качества металла — например, температура его плавления. И в этой области есть свои парадоксы и нерешенные загадки.

Возьмем, например, йодистый рубидий. При атмосферном давлении он кристаллизуется так, что атомы йода и рубидия образуют кубическую решетку с центрированными гранями. Но вот вы сжали это вещество высоким давлением. Происходит перестройка атомной структуры. В новой решетке уже нет атомов в центре каждой из граней, но зато появляется один атом в центре куба. Обычно под высоким давлением атомы стремятся «упаковаться» в кристаллической решетке как можно плотнее. Есть два типа решеток с самыми плотными упаковками. Это решетка в форме куба с центрированными гранями, а также гексагональная структура (шестигранник). Но каково же было удивление физиков, когда при очень высоком давлении атомы йодистого рубидия избрали для себя не одну из этих форм решетки, а другую — кубическую объемно-центрированную, то есть не с самой плотной упаковкой. Внешне вещество не изменилось, зато вес его резко вырос. Тяжелые кристаллы…

Оказывается, для атомов, сильно отличающихся друг от друга размерами, выгоднее именно такая упаковка. Так, в промежутках между арбузами можно разместить яблоки, не увеличивая объема. Конечно, это только аналогия.

У искусственных алмазов, которые умеют изготавливать сегодня и в СССР и в США, очень высокая твердость. Они царапают даже самые твердые грани естественных алмазов. А это означает, что люди перешагнули через порог твердости, поставленный самой природой, создали материал тверже алмаза и могут получить еще более твердые вещества.

Нетрудно сообразить, какие сказочные перспективы открывают работы ученых в области высоких давлений. Насколько бы поднялись производительность и качество труда, например, токарей, если бы они смогли работать не стальными, а алмазными, практически вечными, нетупящимися резцами? А ведь это окажется возможным уже в ближайшие годы.

Наука давно доказала, что создать вечный двигатель невозможно. Но еще никто не доказал и никогда не докажет, что двигатель вашего автомобиля нельзя сделать вечным. Поставьте на него нестирающиеся алмазные подшипники, и вам не надо будет заботиться о его ремонте.

Наш разговор можно было бы уже закончить. Но, признаться, я боюсь, что найдется молодой паренек, который скажет: «Значит, даже искусственный алмаз уже получен. Что же нам-то, молодым, в будущем останется делать? Неужели только работать алмазными резцами и кататься на автомобиле с вечным двигателем? Ведь хочется самому придумать или открыть что-нибудь такое, от чего у людей бы дух захватило. А вы на нашу долю ничего не оставили…»