|
|
Можно ли перестроить кристаллическую структуру
Природа бесконечно разнообразна и не любит повторений. Строй атомов железа совсем непохож на структуру кристалла льда. В каждом веществе своя структура — свой порядок расположения атомов. И от того, каков этот порядок, зависят свойства вещества. Одни и те же атомы, частицы одного сорта, располагаясь по-разному, образуют вещества с совсем разными свойствами. Много лет назад был такой случай в Ленинграде (тогда еще Петербурге): на одном из складов солдатского обмундирования «простудились» и «заболели» солдатские пуговицы. В те времена пуговицы для шинелей делали из олова. На холодном, неотапливаемом складе лежали большие запасы белых блестящих пуговиц. Когда первые несколько пуговиц потемнели, никто на это не обратил внимание. Пуговицы продолжали темнеть, теряли блеск и через несколько дней рассыпались в порошок. Но самым странным было то, что испорченные пуговицы как бы заражали своих соседей, которые начинали темнеть, тускнеть и рассыпаться. В несколько дней горы ярко блестящих белых пуговиц превратились в бесформенную груду серого порошка. Все имущество склада погибло от «оловянной чумы», как прозвали эту «болезнь» белого олова. Что же это за «болезнь»? Это всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Есть два вида кристаллов олова. Первый — это обыкновенное серебристо-белое олово, которое может образовывать большие кристаллы, но те же самые атомы олова могут перестроиться и образовать кристаллы другой разновидности, так называемого серого олова. Свойства этих двух видов олова совершенно различны. Белое олово — ковкий металл, серое — хрупкий. Переходя из белой разновидности в серую, олово рассыпается в порошок. Поэтому белое олово употребляется для припоев, лужения и различных изделий, а из серого ничего нельзя сделать. И белое и серое олово — это кристаллы олова. Они состоят из одних и тех же атомов. Химические свойства олова остаются те же, но изменяется кристаллическая структура: перестраивается порядок атомов и в результате меняются физические свойства вещества. Перестройка кристаллической структуры белого олова в структуру серого олова может начаться при большом морозе. «Оловянная чума» была одной из причин гибели экспедиции капитана Скотта на Южный полюс в 1911—1912 гг. Все запасы жидкого топлива, взятые этой экспедицией, находились в сосудах, паянных оловом. В условиях суровой антарктической зимы белое олово превратилось в порошок серого олова, сосуды распаялись. Отважные исследователи остались без топлива. Вот какие трагические последствия может вызвать изменение кристаллической структуры вещества! Возьмем другой пример. Сажа, или копоть,— мягкий черный порошок. Он скапливается на внешней стороне дна кастрюли, в печных трубах или выбрасывается клубами дыма из труб. Это углерод. Уголь тоже состоит из атомов углерода. Графит, мягкий стерженек карандаша, оставляющий след на бумаге, представляет собой кристаллы углерода. Кристаллическая структура графита состоит как бы из слоев, причем расстояния между этими слоями гораздо больше, чем между отдельными атомами внутри каждого слоя. Такие слои сравнительно легко сдвигаются, скользят один по другому. Именно этим свойством кристаллов графита мы пользуемся, когда пишем графитовым карандашом: слои кристаллов графита сдвигаются и чешуйки графита пристают к бумаге. Только, конечно, каждая такая чешуйка представляет собой не один, а очень много атомных слоев: ведь расстояния между слоями атомов в кристалле составляют стомиллионные доли сантиметра, а оставшиеся на бумаге следы графита видны простым глазом. Но есть и другая форма кристаллического углерода — алмаз. Это самый дорогой и самый красивый из драгоценных камней. Маленькие граненые алмазы видел каждый: это крохотный кристаллик, вставленный в оправу режущего инструмента стекольщика. Алмаз — самый твердый из всех известных на земле минералов. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазными бурами вгрызаются в глубь земли при глубоком бурении. Тонкая проволочка из таких твердых металлов, как углеродистая и хромоникелевая сталь, вольфрам, твердые сплавы, тоже изготовляется с помощью алмаза: чтобы вытянуть в тонкую нить металлическую проволочку, ее нужно проволочить через узкое отверстие, потом через еще более узкое и дальше еще и еще через все более узкие отверстия. Чтобы проволока получилась ровной, нужно эти отверстия делать в очень твердой основе, иначе металл будет растачивать края отверстия. Незаменимым материалом для таких волочильных досок (фильеров) оказывается алмаз. Сквозь дырочки в алмазе вытягивают проволочки диаметром до тысячных долей миллиметра. Так, например, делают вольфрамовые нити для спиралей электроламп. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Самые ответственные детали двигателей в автомобильном, авиационном и многих других производствах обрабатываются алмазными резцами и сверлами. В производстве используют крохотные мутные кристаллики алмаза, потому что прозрачные кристаллы алмаза, даже и совсем небольшие, ценятся очень дорого. Вся мировая добыча алмаза за год (без СССР) уместится на одной грузовой машине. Не удивительно, что с давних пор возникла заманчивая идея: превратить графит в алмаз. Казалось, задача проста: нужно только изменить порядок расположения атомов углерода. Но оказалось, решить ее не так-то легко. В природе алмаз образуется в глубинах Земли, где температура доходит до 3,5 тыс. градусов, а давление в 200 тыс. раз больше, чем на поверхности Земли. Более восьмидесяти лет упорно трудились ученые разных стран, но атомные постройки углерода не сдавались человеку. Интересно, что сначала задача была решена теоретически. Физики рассчитали давление и температуру, при которых легкая атомная постройка графита перейдет в несокрушимую крепость алмаза. При таких условиях отказываются служить обычные материалы: массивная сталь перестает быть надежной защитой, водород проходит сквозь стенки стальной бомбы, как воздух через рогожный мешок. И все же эта трудная задача была решена советскими учеными. Теперь в нашей стране организовано промышленное производство советских искусственных кристаллов алмаза и инструмента из них. Искусственные алмазы значительно дешевле натуральных, а по твердости даже превышают их. Срок службы инструмента с алмазной заточкой в десятки раз больше обычного. Обработка трущихся деталей алмазом вдвое увеличивает срок службы этих деталей. А это значит, что собранные из таких деталей автомобиль, трактор, компрессор и многие другие машины будут работать без капитального ремонта вдвое дольше.
|
|
