Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация - [6]

А пока, примерно с пятого тысячелетия до нашей эры, люди методом проб и ошибок оттачивали мастерство выплавки меди. Появление медных орудий труда привело к небывалому развитию техники. С них начались новые технологии. С помощью медных орудий строили города и первые великие цивилизации. Строительство египетских пирамид стало возможным благодаря массовому применению медных орудий труда. Каждую каменную глыбу для пирамиды вырубали в каменоломне и обтесывали вручную медными долотами. По подсчетам специалистов, в Древнем Египте было добыто около 10 000 тонн медной руды для изготовления 300 000 резцов – великое достижение, без которого громадная армия рабов никогда бы не построила пирамиды, потому что лишь металлу под силу справиться с камнем. Это при том, что медь далеко не лучший материал для обтесывания камней – она чересчур мягкая, медное долото быстро притупляется об известняк. Ученые подсчитали, что инструмент нуждался в заточке через каждые несколько ударов молотком, иначе от него не было проку. По той же причине медь не годится для бритвенных лезвий.

Еще один сравнительно мягкий металл – золото. Мягкий настолько, что обручальные кольца обычно делают из сплава, в противном случае они быстро покрываются царапинами. Совсем небольшая, всего в несколько процентов, добавка другого металла, например серебра или меди, не только меняет цвет золота: серебро отливает белизной, а медь красным, – но и придает ему твердость. Эта чувствительность металлов к малейшим примесям поистине завораживает. Вы спросите, куда же деваются атомы серебра в золотом сплаве. Ответ прост: они встраиваются на место атомов золота. Как раз эта замена в кристаллической решетке и делает золото тверже.

Сплавы практически всегда тверже чистых металлов по одной простой причине – атомы добавок (присадок) отличаются по размеру и химическим свойствам от атомов основного металла. Поэтому, встраиваясь в кристалл основного металла, они вызывают всевозможные механические и электрические деформации, затрудняющие перемещение дислокаций. В итоге металл твердеет, поскольку его кристаллам труднее менять форму. Таким образом, сплавы нужны, чтобы помешать движению дислокаций в кристаллах.

Сплав золота с серебром на уровне атомной структуры. Атомы серебра замещают часть атомов золота в кристаллической решетке

В природе атомные замены происходят и с другими кристаллами. Скажем, кристалл чистого оксида алюминия не имеет цвета, но примесь атомов железа придает ему голубоватый оттенок, и он превращается в драгоценный камень сапфир. А если оксид алюминия смешать с хромом, получится рубин.

Три века цивилизации: медный, бронзовый, железный – отражают постепенный переход к твердым сплавам. Медь – слабый металл, но он встречается в природе и легко плавится. Бронза – сплав меди с небольшим количеством олова, иногда мышьяка, – гораздо тверже меди. Итак, у вас есть медь, и вы представляете себе, что вы хотите из нее сделать. Немного усилий, и можно ковать оружие и бритвенные лезвия в десять раз прочнее и тверже медных. Но не все так просто. В естественной среде олово и мышьяк чрезвычайно редки. Торговые пути с таким трудом прокладывали именно затем, чтобы доставить олово из далеких Корнуолла или Афганистана в центры цивилизации на Ближнем Востоке.

Современные бритвенные лезвия тоже сделаны из сплава, но, как я объяснил Брайану, это сплав особый, он был загадкой для наших предков на протяжении многих тысячелетий. Сталь гораздо прочнее бронзы, а два ее компонента – железо и углерод – в изобилии присутствуют в земной коре. Практически любая горная порода содержит железо, а углерод входит в состав любого горючего материала. Но наши предки не понимали, что сталь – это сплав, что уголь не просто сгорает в кузнечном горне, но в процессе плавления отдает углерод, который проникает в кристаллы железа. Причем фокус удается только с железом – с медью, оловом или бронзой такого не происходит. Видимо, первобытным людям это казалось невероятной тайной. Лишь теперь, в свете квантовой механики, мы можем объяснить, в чем тут дело: углерод не замещает атомы железа в решетке, но как бы втискивается между ними, деформируя кристалл.

Но есть одна загвоздка. Если взять слишком большое количество углерода – скажем, 4 % вместо 1 %, – железо становится чрезвычайно хрупким и совершенно непригодным для изготовления инструментов и оружия. И это серьезная проблема, поскольку в пламени довольно много углерода. Стоит передержать железо, а тем более дать ему расплавиться, – в кристаллы попадет лишний углерод, и сплав станет очень хрупким. Меч из такой высокоуглеродистой стали сломается в бою.

Лишь в XX веке был до конца изучен процесс плавления металлов. До этого люди не понимали, почему сталь иногда получается качественной, а иногда нет. Работал метод проб и ошибок, и успешные способы передавались по наследству. Мастера хранили тайну как зеницу ока. Но если бы кто-то и украл рецепт стального сплава, он не смог бы воспроизвести все тонкости чужой технологии. В некоторых странах умели производить высококачественную сталь, и такие цивилизации процветали.