Текст книги "Заглянем в будущее"
Автор книги: Александр Китайгородский
Соавторы: Арон Кобринский,Натан Кобринский,Николай Семенов,Николай Петрович,В. Молярчук,Игорь Петрянов-Соколов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 16 страниц)
О создании новых веществ и материалов будущего рассказывает профессор А. И. Китайгородский
Очень, конечно, хочется заглянуть в свое будущее, будущее своего коллектива, будущее людей. Крайне интересно делать всяческие прогнозы. Жаль лишь, что ввиду недолговечности жизни убедиться в справедливости их можно, только ограничившись началом третьего тысячелетия. Как будут жить люди на исходе нашего и в начале наступающего XXI века?
На этот вопрос пытаются дать ответ писатели-фантасты, а в последнее время и многие ученые. Первые фантазируют свободно, вторые стараются оставаться в рамках законов природы.
Что касается более или менее отдаленного будущего (в котором не придется жить ни мне, ни тебе, читатель), то рассуждения о грядущем должны быть предоставлены мечтателям. В тех же случаях, когда речь идет о ближайших десятилетиях, вступает в силу здравый научный подход.
Читая романы, публицистические сочинения и научные трактаты, псевдонаучные рассуждения и фантастические повести о будущем, видишь отчетливую возможность разбить их на три категории. Первая – это научные прогнозы, основанные на экстраполяции сегодняшнего положения мирских дел; их авторами являются специалисты в области прогнозов. В произведениях второй категории делается попытка заглянуть в отдаленное будущее, не изменяя сегодняшней науке; их авторы – научные работники, профессионально не занимающиеся прогнозированием. И наконец, третья – немногие фантастические произведение, авторы которых не связывают себя рамками законов природы. Как правило, сочинения такого типа выходят из-под пера профессиональных литераторов, но не деятелей науки.
Сейчас мы рассмотрим основные черты первого подхода к будущему и проиллюстрируем его на теме этой статьи.
Экстраполяция – математический термин, и означает он следующее. Написан ряд чисел 1, 3, 5, 7, 9, 11… Какие пойдут дальше? Можно ответить: «А откуда я знаю?», но можно сказать и иначе: «Если закон следования сохранится, то дальше пойдут числа 13, 15, 17…». В этом и состоит идея экстраполяционного предсказания будущего, основанного на изучении прошлого.
Особенно наглядной является экстраполяция графическая. По вертикальной оси будем откладывать, скажем, прирост населения за год, число заокеанских телефонных разговоров, автомобильных катастроф, урожай хлеба в миллионах тонн и т. д., а по горизонтальной оси – время. По точкам построим кривые. Разными темпами они будут вздыматься вверх, иногда идти вниз, а то и колебаться около какого-нибудь значения. Можно рискнуть продолжить кривую на будущее в предположении, что закон изменения останется тем же, каким был.
То, что этот метод рассуждения «работает» неплохо, известно из анализа прошлого. Темп изменения часто характеризуют временем удваивания или удесятерения. Оказывается, что в большом числе случаев время удваивания многих факторов, определяющих жизнь общества, остается неизменным на протяжении столетий.
Казалось бы, например, какие только события не происходили в мире, которые могли бы препятствовать росту, скажем, числа научных работников. Однако случайности сглаживаются, и в результате оказывается, что число деятелей науки в США начиная с 1800 года изменялось следующим образом: 1800 год – 1000 человек, 1850 год – в десять раз больше, то есть 10 000 человек, в 1900 году – 100 000 человек и в 1950 году – миллион. Значит, увеличение в десять раз за пятьдесят лет.
Первый вопрос, который, естественно, возникает: на сколько времени вперед можно экстраполировать ту или иную функцию? Ясно, что пророки ближайшего будущего будут ошибаться реже тех, кто осмеливается делать предсказание на много десятков лет вперед.
Также верно, что надежность предсказания тем большая, чем дольше наблюдалась закономерность в прошлом. Если вытащили из ящика десять белых шаров, то имеется достаточно большая вероятность, что и одиннадцатый шар будет белым. Если сто шаров оказались белыми, то вы удивитесь, обнаружив, что сто первый шар – черный. А если миллион испытаний приводил к одному и тому же результату, то нарушение правила покажется чудом.
Нечто в этом роде справедливо и для предсказания будущего, основанного на экстраполяции. Резкие изменения в ходе какой-либо кривой невероятны. Однако вдумчивый исследователь должен тщательно следить за едва заметными признаками, которые свидетельствуют о том, что началось изменение темпа.
Число кинопосещений в год до некоторого времени неуклонно вырастало. Но появилось телевидение, и зрители предпочли получать радости от искусства, посиживая у себя дома в удобном кресле, попивая чай. Темп роста кинопосещений замедлился, затем кривая перегнулась и пошла вниз. Можно было предугадать такое ее поведение?
Несомненно! Экстраполяция – это вовсе не наивное механическое продление сегодняшней ситуации на отдаленное завтра. Если бы суть метода сводилась к этому, то прогнозирование было бы элементарно простым делом. Для того чтобы ловить подобные, первоначально незаметные изменения в темпе роста различных жизненных факторов, нужны электронно-вычислительные машины, способные переработать огромное количество информации. Только тогда удастся провести надежную экстраполяцию.
Возможности технически оснащенного прогнозирования весьма велики. На какой-либо демографический показатель, – скажем, рождаемость – влияет огромное число факторов. Здесь и уровень культуры, и материальные основы жизни, и идейные стремления страны. Чем больше факторов будет учтено в анализе, тем больше срок действия и достоверность прогноза.
Но как бы то ни было, о сотнях лет речи быть не может. Открытия телевидения, лазеров, энергии атомного ядра, войны и революции могут свести на нет предсказания, основанные на экстраполяции. Научные прогнозы, по моему мнению, могут претендовать лишь на срок в 30–70 лет.
Предсказания изменений в науке, технике, искусстве, медицине, морали, образе жизни не сводятся к одним цифровым показателям. Заманчиво наметить грядущие революционные открытия, способные изменить жизнь общества.
Деятель науки в отличие от писателя-фантаста считает возможным предвидение лишь таких событий, зародыши которых можно разыскать сегодня.
Не так давно один из руководящих научных работников в области прогнозирования выступил со статьей, в которой поставил под сомнение содержательность самого термина «футурология». Автор этой статьи заметил, что, строго говоря, такой науки не существует, ибо уверенные прогнозы способен делать лишь узкий специалист в своей области. Это соображение справедливо. Но все же «уединенный прогноз» – вещь бессмысленная. Отдельные разделы науки и техники столь сильно переплелись в наше время, что кое-кто должен взять на себя обязанность суммировать мнения узких специалистов. Я перед собою такую задачу не ставил и, следуя совету уважаемого автора, на которого я только что сослался, остановлюсь на сравнительно узком круге вопросов, составляющем тему этой статьи.
* * *
Писателю-фантасту ничего не стоит вообразить вещество, построенное из особенных атомов, которые обладают свойством не притягиваться по закону всемирного тяготения к другим атомам, а отталкиваться от них. Литератор может беспредельно увеличивать силы сцепления между атомами, может спрессовать их так, чтобы один кубический миллиметр весил десять тонн. Писатель может изобрести атомы, способные излучать «пси»-лучи, при помощи которых возможно телепатическое общение между людьми.
Ученый – сухой рационалист, ползучий эмпирик, бескрылый футуролог, ограниченный, узкий, недальновидный и прочее (это эпитеты, которыми награждает научных деятелей писатель Артур Кларк) – не может разрешить себе предсказания подобных поразительных событий. Причина кроется в повышенном уважении к законам природы. Что касается устройства вещества при тех условиях температуры и давления, при которых мы существуем, то оно подчиняется строго установленным законам квантовой механики и статистической физики. Безупречное выполнение предсказаний, которые делаются с помощью этих законов природы, то обстоятельство, что практически вся современная цивилизация рухнула бы, если бы эти законы не были всеобъемлющими, позволяет специалисту в области строения вещества утверждать, что он доподлинно знает предельные возможности природы в отношении создания новых веществ. А раз так, то он может сказать, какие же свойства материалов возможны, а какие немыслимы и противоречат навечно завоеванному опыту науки.
Прежде чем приступить к экстраполяционным прогнозам, мне придется напомнить читателю некоторые азбучные истины, касающиеся строения вещества. Для наших целей будет вполне достаточно восстановить в памяти несколько общих правил и законов. Конкретное знание совершенно не обязательно. Честно говоря, и сам автор не возьмет на себя смелость рассказать, как расположены атомы в минерале мусковите или какова последовательность соединения частиц в нитрате альфа-нафтил-метилен-имидазолина, который мы капаем в нос, когда у нас насморк.
Итак, поговорим лишь об общих идеях, лежащих в основе строения тел.
Прежде всего дадим ответ на такой риторический вопрос: почему нельзя играть в футбол на склоне горы Эльбрус? Ответ: потому, что мяч покатится вниз. И долго это будет продолжаться? Ответ: до тех пор, пока мяч не попадет в глубокую лунку или яму, а если избежит такой судьбы, то очутится в долине.
Футбольный мяч слушается закона. Ему положено природой успокоиться в такой ситуации, которой соответствует минимум его энергии. Если мяч докатился до самого подножия горы, то он устроился наиболее удобно. Выкатиться из долины ему не удастся. Мы скажем, что речь идет о стабильном, или, по-русски, устойчивом, состоянии равновесия. Если мяч застрял по дороге даже в относительно глубокой яме, то ветром или при землетрясении в районе Эльбруса (они, кажется, там не бывают, но географы меня простят!) он может выбраться из состояния временного равновесия (научные деятели испытывают исторически сложившееся пристрастие к греческому языку и латыни и поэтому такое состояние равновесия называют метастабильным) и в конце концов скатится в долину.
Атомы и частицы, из которых они построены, то есть ядра и электроны, ведут себя схожим образом: они стараются устроиться поудобнее, то есть занять такое взаимное расположение, при котором энергия их сообщества была бы наименьшей.
Теперь представим себя первосоздателями веществ. В нашем распоряжении огромное пространство – большой котел. Мы бросаем туда миллиарды миллиардов атомных ядер и электронов. Следить будем при этом за тем, чтобы число плюсов (на ядрах) и минусов (на электронах) казалось бы равным. Дело в том, что мы хотим создать электрически нейтральные тела, каковыми и являются все окружающие нас предметы.
Начнем понижать температуру в нашем котле. Движение частиц будет становиться все медленнее, и ядра начнут захватывать электроны (минус и плюс притягиваться; эту истину вы наверняка помните). При этом возможны следующие варианты: ядру удобно притянуть к себе как раз столько электронов, сколько надо, чтобы образовался нейтральный атом; ядру удобно забрать число электронов меньше «нормы» – тогда образуется положительный ион; ядро захватило электронов больше «нормы» – образуется отрицательный ион. Может оказаться и так, что скольким-то электронам окажется выгодно остаться непристроенными и находиться, так сказать, в общем пользовании. Наконец, возможно, что ядрам удобнее всего создать микроколлективы и поделить между собой часть электронов. В этом случае говорят: образовалась молекула. Итак, когда температура снижена до минимума, мы можем встретиться со следующими видами твердых тел.
Первый: положительные ионы, сцементированные некоторым количеством «неприкаянных» электронов. Эти тела называются металлами.
Второй вид: шарообразные положительные и отрицательные ионы в виде плотных упаковок. Хотите зрительный образ? Пожалуйста. Упакуйте горкой бильярдные шары (отрицательные ионы), а в пустоте разместите шарики от пинг-понга (положительные ионы). Так построено множество неорганических соединений, например силикаты. Такие тела называют ионными кристаллами.
Могут возникнуть группы объединившихся атомов с обобщенными электронами, тогда про твердое тело говорят, что оно построено из молекул. Если группки атомов относительно невелики, то химики называют соответствующие соединения низкомолекулярными. Напротив, если атомы объединились в очень длинные цепи или клубки, то говорят о высокомолекулярных соединениях, или макромолекулах.
* * *
Составляя этот маленький словарик, без которого все наши дальнейшие прогнозические рассуждения невозможны, я воспользовался словом «кристалл». По опыту лектора знаю, что со словом «кристалл» большей частью ассоциируется что-то совершенное, а потому, увы, редкое. На самом же деле все обстоит как раз наоборот. Редкостью являются некристаллические твердые тела.
Как же так? Кристалл имеет совершенную структуру – безупречно правильные грани!.. Именно поэтому такие образцы мы видим только в минералогических музеях!
Противоречие снимается с помощью обычного микроскопа. Оказывается, твердые тела состоят, как правило, из небольших (меньше микрона) кристаллических зерен. Если одно такое зернышко выделить и дать ему возможность расти, то можно получить из любого вещества (так, по крайней мере, утверждают энтузиасты-специалисты по росту кристаллов, работающие в Институте кристаллографии имени академика А. В. Шубникова) крупный и как бы превосходно ограненный кристалл, ничуть не уступающий по красоте сапфирам и яхонтам.
Как же устроен кристалл?
Идеально упорядоченно, как забор, как обои, как пчелиные соты, как кирпичная кладка. Металлический кристалл – это трехмерная решетка атомов, утопленных в электронном газе. Ионный кристалл – решетка из бильярдных шаров и шариков пинг-понга. Наконец, молекулярный кристалл – плотная упаковка причудливых по форме частиц, закономерно повторяющаяся в любом направлении.
Кристалл – символ идеального порядка, так же как газ – символ хаоса.
Но – и это очень важно для наших прогнозов – нет в мире идеального порядка, не существует и идеально упорядоченных кристаллов.
Кажется, общепризнанно, что наилучшей в мире является шотландская шерсть. Когда мне удавалось найти отрез такой шерсти, я приходил к портному Николаю Васильевичу, и между нами обычно происходил такой диалог.
Н. В. (восхищенно). Да, материал первый сорт, тут уж ничего не скажешь.
Я. Костюм должен получиться великолепным. Хороший материал и ваша работа – тому залог.
Н. В. (без восхищения). Работа тут, прямо скажем, дьявольская. Клетку-то надо к клетке подогнать. Вот, скажем, спинка в рукав переходить будет. Тут уж, понимаете, как надо! Чтоб ни одного миллиметра ошибки!..
Я (просительно). Уж постарайтесь, Николай Васильевич.
Н. В. Да уж не в первый раз…
И действительно, делал так, что линия переходила в линию, клетки образовали правильный узор.
Природа работает хуже Николая Васильевича и при создании трехмерной решетки довольно часто ошибается. Образуются различного рода дефекты – неправильные смещения соседних слоев, пустоты, трещинки.
То, что такие дефекты наверняка существуют и они оказывают решающее влияние на применение твердых тел, было установлено еще в начале нашего века.
Прочность тела – одно из важнейших его качеств. Создавая изделие, всякий раз необходимо уверяться в том, что металл, стекло, кирпич или ткань не подведут – не разорвутся или не сломаются в неожиданный момент, поставив под угрозу жизнь людей. Даже если речь не идет о драматических последствиях, все равно неохота иметь дело с вещами, которые могут тебя подвести.
Нет, вероятно, ни одного промышленного предприятия, которое не испытывало бы материалы, полупродукты или изделия на прочность. Часто для этой цели готовят образец цилиндрической формы, имеющий вид, если посмотреть сбоку, римской единицы. Основания единицы захватываются цапфами специальной разрывной установки, включается моторчик, и цапфы начинают расходиться. Стрелка прибора показывает силу растяжения, которую испытывает образец. Сотни килограммов, тысячи… Раздается треск – образец разорван на две половинки. Число килограммов, отнесенное к единице площади сечения, называется сопротивлением на разрыв. Чем больше это число, тем лучше материал.
Борьба за прочность ведется многие десятилетия. Разумеется, она приобретает все большее и большее значение по мере бурного роста населения. Пока общество обходилось небольшим числом жилых зданий с толстыми стенами – строили их. Проблем не только прочности, но и теплопроводности, звуконепроницаемости не было. В городе Коломне, где мне приходится бывать время от времени, еще действует давным-давно построенная гостиница. Комфорта никакого, номера как клетушки. Но зато тишина абсолютная, летом прохладно и тепло зимой. Секрет элементарный: толщина стен не меньше метра, и простоять она может века.
Но в наше время такой подход не годится: это расточительство. А потому борьба за прочность, за звуконепроницаемость, за теплозащитные свойства тонких стенок ведется непрерывно.
Нет сомнения, что успехи, достигнутые в борьбе за прочность, немалые. Но придется признаться: они не столь уж велики.
Почему же так? В чем причина, что выигрыш всего лишь в 10–20 процентов считается важным достижением? Нет ли линии исследования, которая привела бы к тысячекратным увеличениям прочности? Может быть, достаточно бросить клич вроде: «Товарищи физики, поднажмите и придумайте способ усиления связи между атомами! Дело-то ведь, конечно, в этом. Чем крепче будут связаны атомы, тем прочнее будет предмет!» Казалось бы, так!
В начале этого века очень хорошему физику М. Борну удалось рассчитать силы связи между атомами. Правда, теория была создана не для металлов. Первым объектом для применения теории послужила поваренная соль. Причина такого выбора заключалась в том, что поваренная соль состоит из положительных ионов натрия и отрицательных ионов калия. Притягиваются эти шарики по закону Кулона (читатель помнит, конечно, этот простой закон: сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними).
М. Борн придумал, как просуммировать взаимодействия между всеми парами частиц, учел силы отталкивания между атомами, которые возникают, когда они подходят друг к другу на близкие расстояния, и вычислил теоретическое значение прочности поваренной соли (кстати, когда соль находят в природе, а не берут щепотку из солонки, то ее называют каменной).
Итак, теория готова. Дело за проверкой. Большой кристалл природной каменной соли не редкость. А выточить из него цилиндрик, в профиле похожий на римскую единицу, – дело пустяковое. Остается вставить в разрывную машину и посмотреть, до какого деления доберется стрелка регистрирующего прибора в момент разрыва образца.
Результат опыта был поразительным. Теоретические предсказания отличались от фактов на три порядка величины. Вычисленное значение сопротивления на разрыв оказалось в тысячу раз больше того числа, которое «выдал» испытательный прибор.
Справедливость расчетов М. Борна находится вне всякого сомнения, и поэтому для объяснения расхождения «практики и математики» требовалась какая-то новая идея. Она пришла в голову одновременно нескольким исследователям, в том числе одному из основателей советской физики, академику А. Иоффе.
М. Борн произвел расчеты для идеальной кристаллической решетки. Но если предположить, что внутри кристалла тьма трещин, пустот, дефектов, то взаимодействие между атомами будет во много раз меньше, чем у идеального кристалла.
Ряд остроумных опытов с полной несомненностью показал, что дело обстоит именно так. Известен знаменитый «опыт Иоффе» по растяжению образца каменной соли в воде.
Вода растворяет поверхность образца, рассуждал ученый, а потому должна устранять внешние трещины.
Так оно и оказалось. А. Иоффе показал, что прочность резко возрастает при растягивании образца соли в воде.
В течение ближайшего десятилетия стало ясно, что борьба за прочность не столько борьба за увеличение сил взаимодействия между атомами, сколько борьба с внутренними дефектами кристаллических зерен.
Это и предопределило идею создания прочных материалов. Кристаллическое зерно должно быть мелким, а отдельные зерна надо сцементировать аморфной стекловидной прослойкой. Много шансов за то, что прочность возрастет, если комбинировать зернышки разной формы и разных механических свойств, скажем хрупкие и твердые с пластичными.
Можно предполагать, что будущее за комбинированными материалами из металлов и керамики, о чем мы поговорим поподробней чуть ниже.
Экстраполяционный прогноз таков: силы взаимодействия между атомами увеличить не удастся, поэтому надо стремиться к тому, чтобы улучшить микроструктуру материала, создать бездефектные крошечные зернышки и научиться их спаивать прочной и опять-таки бездефектной межкристаллической прослойкой.
Шансы на получение маленьких кристаллических частичек, лишенных дефектов, достаточно велики. В последние годы физики научились получать кристаллические «усики» – тончайшие кристаллы, практически лишенные дефектов. Прочность таких «усиков» достигает теоретического значения, рассчитанного М. Борном. Нам кажется, что вырастить крупные «усищи» в ближайшее время вряд ли удастся. Но без этого можно обойтись – маленькие бездефектные кристаллики смогут послужить великолепной основой для создания высокопрочных материалов.
* * *
Напряженно вглядываясь в туманную даль будущего техники и держась изо всех сил за ариаднову нить экстраполяционного прогноза, можно видеть две дороги, двигаясь по которым человечество получит в свое распоряжение нужные ему вещества.
Первым путем как раз и является попытка впрячь в одну телегу коня и трепетную лань, то есть создание комбинированных материалов. Уже производятся «усики» карбида ниобия, которые внедряются в металл ниобий. Электрические свойства ниобия выше всех похвал, но прочность его чрезвычайно мала. Комбинированный материал из карбида ниобия и иниобия воплощает в себе только положительные их качества.
Употребляются также в промышленности тончайшие нити бора, залитые расплавом алюминия. В этом случае легкость алюминия объединяется с прочностью бора, образуя новый легкий и прочный материал.
Однако, предсказывая описываемый путь создания новых материалов, никто не может похвастаться выдающейся фантазией. По нему уже давно, собственно говоря, следует сама природа. Действительно, что, скажем, представляет собой дерево? Не что иное, как комбинированный материал, в котором нити целлюлозы внедрены в матрицу лигнина. Так природа объединила крепость одного компонента и гибкость другого.
Вот почему большинство исследователей, сочиняющих новые материалы и мечтающих о том, чтобы получить нечто прочное, легкое и не поддающееся коррозии, идут по пути создания всяческих смешанных систем.
Необходимо заметить, что на этом пути сделаны лишь первые шаги. И за стеклянными нитями, внедренными в резину, последуют тысячи других подобных находок.
Сколько веков можно пользоваться чугуном и сталью? Спору нет, прочность их выше всякой критики. Однако они тяжелы, а чугун вдобавок и хрупкий. Нет, в будущем этим труженикам придется уступить место комбинированным материалам. Может быть, заменителями станут алюминий, бор, магний, в которые будут внедрены бездефектные кристаллики железа или кобальта. А еще лучше, если будет преодолена хрупкость керамических материалов. Не исключено, что будут созданы тела, состоящие из керамических или стеклянных зерен, отделенных друг от друга тончайшими оболочками металлов.
Разумеется, по этому же пути сочетания чистых веществ с разными свойствами пойдут и те творцы новых веществ, которые озабочены получением, скажем, прозрачного материала, обладающего магнитными свойствами, или прозрачной резины, или легкой, гибкой и немнущейся ткани (от прозрачности в этом случае можно отказаться).
В зависимости от конечной цели будут применяться самые различные способы смешения разных веществ. Способы эти уже все известны. Прежде всего можно предложить перемешать атомы или молекулы известных веществ. За эту идею патент, правда, не дадут, так как и этот способ составления смесей известен не одну тысячу лет и называется сплавлением.
Нанесение поверхностных слоев, увы, также давно известно. Но изобретатель, конечно, не должен этим огорчаться, поскольку наряду с хромированием или никелировкой он может предложить нанесение на поверхность любого вещества любое другое.
Идея перемешивания зернышек разных материалов также не блещет новизной. Более свежей придумкой является внедрение нитей в пластическую матрицу.
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.
