Из чего это сделано?

Марк Медовник, 2013

Профессор Лондонского университета Марк Медовник сделал почти невозможную вещь – написал не только доступную, но и остроумную книгу о самых разных материалах – своего рода «Занимательное материаловедение». Рассказ о новых химических соединениях, вдумчивый сравнительный анализ винных бокалов, сталь самурайских мечей, композитные материалы для трансплантации, бетонные конструкции суперсовременных аэропортов – обо всем этом автор пишет с блеском и глубоким знанием предмета. Книга «Из чего это сделано» – превосходный образец популярной науки высочайшего уровня, настоящая находка для любознательного читателя.

1. Твердость

Впервые в жизни я подписывал договор о неразглашении в туалете паба. И когда выяснилось, что это все, о чем просит Брайан, с которым случай свел меня всего час назад, я испытал нечто вроде облегчения. Дело было в ирландском городке Дун-Лэаре, в пабе «Шихен», поблизости от места моей тогдашней работы. Брайану, хорошо одетому мужчине с красным лицом и редкими седыми волосами с желтоватым отливом, перевалило за шестьдесят. Из-за больной ноги он ходил с тростью. Курил сигарету за сигаретой. Как только Брайан узнал, что я ученый, то справедливо рассудил, что мне будет интересно послушать байки о его лондонском житье-бытье в семидесятые, когда он торговал кремниевыми микросхемами «Интел-4004». Он покупал их за границей оптом по фунту за штуку и продавал небольшими партиями юной компьютерной отрасли по десять фунтов за штуку. Как говорится, оказался в нужное время в нужном месте. Когда я сказал, что работаю с металлическими сплавами на факультете машиностроения Университетского колледжа в Дублине, он призадумался и умолк — впервые за время нашего знакомства. Я воспользовался паузой и пошел в туалет.

Договор о неразглашении был нацарапан на клочке бумаги, который он, видимо, только что вырвал из блокнота. Всего пара строк: Брайан рассказывает мне о своем изобретении, а я обязуюсь хранить тайну. За это он платит мне один ирландский фунт. На дальнейшие мои расспросы он лишь смешно провел пальцами по губам, как бы застегнув рот на молнию. Я не совсем понял, почему нужно вести этот разговор в кабинке туалета. Через его плечо я видел, как входят и выходят посетители паба. Может, следовало позвать на помощь? Порывшись в карманах пиджака, Брайан извлек оттуда шариковую ручку, а из заднего кармана брюк достал смятую фунтовую бумажку. Он был очень настойчив.

Я поставил подпись на клочке бумаги, прижав его к исчерканной стенке туалета. Брайан тоже подписал бумажку, дал мне один фунт, и бумажка превратилась в юридический документ. Вернувшись к барной стойке с недопитым элем, я стал слушать рассказ Брайана. Он изобрел электронное устройство для заточки бритвенных лезвий — настоящая революция, ведь отныне человеку в течение всей жизни довольно будет одного лезвия. Промышленность потеряет на этом миллионы и не выдержит конкуренции, а Брайан станет исключительно богатым человеком. К тому же это позволит сберечь запасы минералов на планете. «Ну, как вам моя идея?» — спросил он, с победоносным видом отхлебывая эль.

Я взглянул на него с недоверием. Любому ученому хоть раз в жизни попадались безумцы, рассказывающие о своих изобретениях. Кроме того, к бритвенным лезвиям у меня было особое отношение. Вспомнив про длинный шрам на спине — итог встречи на станции «Хаммерсмит», — я испытал неловкость и некоторое раздражение, но жестом просил его продолжать…

Странно, что наука, по существу, ничего не знала о стали вплоть до XX века. Ремесленники тысячелетиями передавали стальной секрет из поколения в поколение. Даже в XIX веке, когда ученые уже накопили серьезные теоретические познания в области астрономии, физики и химии, ключевое сырье промышленной революции — железо и сталь — получали опытным путем, уповая на интуицию, тщательные наблюдения и, в огромной степени, на удачу. (Неужели и Брайан случайно изобрел новую технологию? Эта мысль не давала мне покоя.)

В глубокой древности изделия из металла были редкостью и высоко ценились, поскольку в то время умели добывать только медь и золото: другие металлы, как правило, нужно извлекать из руды, в чистом виде они не встречаются. Существовало, правда, «упавшее с неба» железо — то есть осколки метеоритов. В Северной Боснии живет человек по имени Радивок Лажич, который знает все про странные куски металла, падающие с небес. В 2007–2008 годах на его дом упало не меньше пяти метеоритов. Простой случайностью это не объяснишь, и заявление Лажича, будто его преследуют инопланетяне, кажется весьма правдоподобным. Своими подозрениями он публично поделился в 2008 году, с тех пор в дом угодило еще одно небесное тело. Ученые подтвердили, что упавшие камни — действительно метеориты, и теперь изучают магнитное поле вокруг дома, чтобы хоть как-то обосновать его необычную притягательность для «падающих звезд».

Радивок Лажич и пять метеоритов, упавших на его дом, начиная с 2007 года

Когда наши далекие предки еще не знали ни меди, ни золота, ни метеоритного железа, они делали орудия труда из кремня, дерева и кости. Любой, кто хоть раз пытался что-нибудь сделать такими орудиями, знает, насколько они ограничивают возможности. Если ударить по деревяшке, она расколется, треснет или сломается. Так же обстоит дело с камнем или костью. Металлы принципиально отличаются от этих материалов: от удара молота они лишь меняют форму, поскольку обладают пластичностью и ковкостью. Мало того, от этих ударов они только крепчают. Можно закалить лезвие, просто ударив по нему кузнечным молотом. Этот процесс обратим: если поместить металл в огонь и раскалить его, он снова станет мягче. Первые люди, открывшие эти свойства металла десять тысяч лет назад, нашли материал твердый, как камень, но пластичный и почти что вечный. Иными словами, идеально подходящий для орудий труда, особенно режущих — топоров, резцов и бритв.

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.

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.

В 1961 году профессор Ричмонд из Оксфордского университета обнаружил тайник, вырытый римлянами в 89 году нашей эры. Там находилось 763 840 маленьких двухдюймовых гвоздей, 85 128 гвоздей средней длины, 25 088 длинных гвоздей и 1344 сверхдлинных шестнадцатидюймовых гвоздя. Клад, полный гвоздей вместо золота, огорчил бы кого угодно, только не профессора Ричмонда. «Зачем, — спросил он себя, — римские легионеры спрятали в земле семь тонн железа и стали?».

Римский легион под командованием Агриколы занимал местечко под названием Инктутил (Inchtuthil) в Шотландии. Он защищал дальние рубежи Римской империи от набегов диких, как считали римляне, племен — кельтов. Пять тысяч воинов стояли здесь гарнизоном в течение шести лет, но в конце концов оставили крепость. Приложив немалые усилия, они уничтожили все, что могло достаться врагу. Разбили сосуды с едой и питьем, дотла сожгли укрепления… Но в пепле еще оставались железные гвозди из крепостных стен — слишком ценный подарок для варваров. С помощью железа и стали были построены римские корабли и акведуки, из железа были выкованы римские мечи, а в конечном счете — и сама Римская империя. Оставить гвозди врагу было все равно, что подарить ему оружейный склад, поэтому, прежде чем отправиться на юг, римляне их закопали. Среди немногих стальных предметов, которые они забрали с собой (не считая оружия и доспехов), были, вероятно, и новацилы (novacili) — бритвенные лезвия, знак римской цивилизованности. Благодаря новацилам и ловким рукам брадобреев римляне отступали на юг со свежевыбритыми холеными лицами. Так они подчеркнули свою непохожесть на диких варваров, погнавших их прочь.

Загадка стали давала пищу для всевозможных поверий. Самое стойкое из них рассказывает на языке символов об объединении Британии и водворении в ней законного порядка после ухода римлян. Я имею в виду легендарный меч короля Артура — Экскалибур, которому приписывали волшебную силу. В сознании людей он ассоциировался с законным суверенитетом страны.

Легко понять, почему во времена хлипких мечей и почти беззащитных рыцарей добротная сталь в руках сильного воина означала победу цивилизации над хаосом. И так как выплавка стали превратилась в ритуал, полагали, что магия имеет к ней прямое отношение.

Особенно ярко это видно на примере Японии. Ковка самурайского меча занимала несколько недель и была частью религиозной церемонии. Амэ-но муракумо-но цуруги

Конец ознакомительного фрагмента.