Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация - [5]
Должно быть, эта способность металлов превращаться из мягкого материала в твердый казалась нашим далеким предкам волшебной. Вскоре я узнал, что Брайану тоже так казалось. Он рассказал, что изобрел свое устройство методом проб и ошибок, не вникая в тонкости физических и химических процессов, и тем не менее затея его, похоже, удалась. Он хотел, чтобы я замерил остроту бритвенных лезвий до и после заточки. Без такого экспертного заключения он не мог начать серьезные деловые переговоры с компаниями – производителями бритв.
Я объяснил Брайану, что для того, чтобы его приняли всерьез, потребуется больше, чем несколько замеров. Дело в том, что металлы состоят из кристаллов. В обычном бритвенном лезвии их миллиарды, и в каждом таком кристалле атомы расположены особым образом, формируя почти идеальную трехмерную структуру.
Так выглядит кристалл металла, из которого изготовлено лезвие бритвы. Ряды точек изображают атомы
Сильные межатомные связи придают прочность кристаллам. Бритва притупляется, потому что многочисленные удары o волоски меняют взаимное расположение атомов, придают кристаллу другую форму, нарушают старые и создают новые связи, приводят к появлению крошечных вмятин и зазубрин на гладком острие. Отточить его по методу Брайана значило бы запустить обратный процесс – вернуть атомы на прежнее место и восстановить таким образом нарушенную структуру. Чтобы Брайана приняли всерьез, нужно не только доказать восстановление на уровне кристаллов, но еще и аргументированно объяснить механизм этого процесса на атомном уровне. Я сказал, что нагрев – неважно, от электричества или от иного источника, – обычно делает металл более мягким, что совсем не входит в планы Брайана. Ему это было известно, однако он категорически утверждал, что его электронное устройство не имеет к нагреву стальных лезвий никакого отношения. Наверное, странно думать, что металлы состоят из кристаллов, потому что под кристаллом мы обычно понимаем прозрачный, искусно ограненный драгоценный камень вроде бриллианта или изумруда. Кристаллическая структура металлов скрыта от наших глаз, так как металлические кристаллы непрозрачны и по большей части микроскопически малы. Если взглянуть на них в электронный микроскоп, мы увидим странную перекошенную мозаику, причем внутри кристаллов будут заметны волнистые линии. Это так называемые дислокации – дефекты, отклонения. Не будь их, кристаллическая решетка была бы идеальной. Это сбои в атомном порядке, которых не должно быть.
Для простоты я изобразил лишь несколько дислокаций. Таких дефектов у металлов, как правило, в избытке. Линии дислокаций пересекаются и перекрывают друг друга
Звучит невесело, но вообще-то эти недостатки нам на руку. Благодаря им из металлов получаются отличные инструменты, режущие детали и… бритвенные лезвия, поскольку дефекты позволяют менять форму кристаллов.
Чтобы ощутить силу дислокаций, не нужен кузнечный молот. Когда вы сгибаете скрепку для бумаги, на самом деле гнутся металлические кристаллы. Иначе скрепка была бы хрупкой и с треском ломалась бы, словно палочка. Пластичность металла объясняется сдвигом дислокаций внутри кристалла. Они переносят крупицы материала с одной стороны кристалла на другую, причем делают это со скоростью звука. Сгибая скрепку, вы заставляете приблизительно 100 000 000 000 000 дислокаций двигаться со скоростью в сотни километров в секунду. Хотя каждая дислокация переносит крошечный кусочек кристалла (фактически одну атомную плоскость), этого хватает, чтобы металл гнулся, как сверхпрочный пластик, а не трескался, подобно камню.
Температура плавления металла показывает, насколько тесна связь между атомами и насколько свободно могут перемещаться нарушенные фрагменты. У свинца низкая температура плавления, поэтому его дислокации удивительно легки на подъем, и за счет этого свинец на редкость мягкий металл. А вот медь плавится при более высокой температуре, поэтому она твердая. Нагрев позволяет дислокациям перемещаться и выстраиваться по-новому. В результате металлы становятся мягче.
Открытие металлов было важным событием первобытной истории, но оно не решило главной проблемы – вокруг имелось не так уж много металла. Можно было, конечно, подождать, пока он упадет с неба, но это требовало колоссального терпения (каждый год на поверхность Земли падает несколько килограммов метеоритного железа, и бо́льшая часть его исчезает в океане). Однако нашелся неизвестный герой, который положил конец каменному веку, открыв дверь в будущее материальное изобилие. Он обнаружил некий зеленоватый камень, который, если его бросить в огонь и обложить раскаленными углями, превратится в блестящий кусок металла. Этим зеленоватым камнем был малахит, а получавшимся металлом, разумеется, медь. Должно быть, это было самое ослепительное во всех смыслах открытие. Неожиданно люди поняли, что их окружают не мертвые камни, но таинственная субстанция со своей внутренней жизнью.
Подобные метаморфозы происходили лишь с небольшим числом камней. Недостаточно было найти камешек определенной породы – следовало еще тщательно соблюдать химические условия плавления. Но древние наверняка догадывались, что если камень так и остался камнем в самом жарком костре, то это камень с секретом. И были правы. Многие минералы сохраняли форму при нагревании, но прошло несколько тысячелетий, прежде чем понимание необходимых химических условий (нужно контролировать химические реакции между веществом камня и образующимися в пламени газами) привело к очередному прорыву в металлургии.
