Искусственные алмазы
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.
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…»
Прав ли этот паренек?
Нет, нет, тысячу раз нет!
Вспомните, Геннею удалось в прошлом веке получить искусственные алмазы, не прибегая к сверхвысоким давлениям и температурам, которыми пользовались американцы, получая свои алмазы. А раз это так, значит, проблема дешевого и простого получения алмазов еще не решена. Значит, все впереди. Почему алмаз, если его нагревать, легко превращается в графит, а графит упорно не желает становиться алмазом? Почему этот процесс необратим? Надо найти этот потерянный самородок!
Загадка алмаза — не исключение. Так же непонятно, «не по правилам» ведут себя и боразон (соединение бора с азотом), и черный фосфор, который получают из желтого фосфора при температуре +200° и давлении 12 тысяч атмосфер.
Можно ли что-нибудь сказать о сроках, когда приоткроется завеса над этими «белыми пятнами»? Ответим уверенно: и в XXI веке тут будет над чем поломать голову. А впрочем… Даже очень опытные люди совершали ошибки, когда пытались предсказать сроки реализации своих идей и открытий. В 1939 году, например, Резерфорду, первому человеку, расщепившему атомное ядро, задали вопрос: «Какое практическое применение в наше время будет иметь ваше открытие?» — «Никакого», — ответил ученый. А в 1954 году весь мир отмечал историческое событие — пуск первой в истории советской атомной электростанции.
Так что самое лучшее — не гадать о сроках, а работать, развивать нашу науку, строить жизнь, которая опережает самые смелые предсказания.