Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий - Эрлих Генрих Владимирович - Страница 15

Опыт, конечно, эффектный, но мало приближающий нас к пониманию эффекта Ребиндера. Ведь речь шла, напомню, об адсорбционном понижении прочности твердых тел. И многим оппонентам, выдающимся физикам, было очевидно, что такого просто не может быть. Но так ли уж это очевидно? Поразительно, но с проявлениями этого эффекта мы сталкиваемся даже в быту. Вспомните невинную детскую шалость – слегка намочить мелок перед школьным уроком. Твердый мелок начинает крошиться и становится непригодным для писания на доске. Если намочить так все доступные мелки, то срыв урока гарантирован. Более конструктивное применение: возможно, вы обращали внимание на то, что кофе, перец, сахар гораздо легче и тоньше измельчаются в ручной мельнице или в ступке, если предварительно их немного смочить водой.

В чем тут дело? Строение реальных твердых тел далеко от идеального кристалла, к которому апеллировали физики-теоретики. Посмотрите на свежий разлом камня или металла, и в большинстве случаев вы увидите четкую зернистую или, как говорят ученые, микрогетерогенную структуру. Внешне зерна могут выглядеть плотно прилегающими друг к другу, но на самом деле число контактов не столь уж велико и они относительно легко разрушаются при механической нагрузке. Именно поэтому прочность реальных твердых тел в десятки, а то и сотни раз меньше теоретических величин, рассчитанных для идеальных монокристаллов того же состава.

Итак, при нагрузке в месте соединения зерен появляется трещина, постепенно увеличивающаяся. Если мы снимем нагрузку до того, как произойдет разлом, то стенки трещины вновь соединятся и разрушенные контакты восстановятся. Но что будет, если мы смочим твердое тело каким-нибудь веществом (или его раствором), способным прочно связываться с его поверхностью – поверхностно-активным веществом в терминологии Ребиндера? Это вещество “заползет” в образующуюся трещину, покроет всю поверхность ее стенок и не позволит им вновь прочно соединиться при снятии нагрузки. Адсорбированный слой может быть толщиной всего в одну молекулу, но этого вполне достаточно, чтобы предотвратить восстановление разрушенных контактов. (Именно это и происходит при разрезании слоя ртути в описанном выше опыте.)

После такого объяснения эффект Ребиндера выглядит простым, даже слишком простым, не так ли? Но, несмотря на кажущуюся простоту, эффект снижения прочности может быть очень значительным – в разы. Главное – правильно подобрать адсорбирующееся вещество. Как и во многих других случаях, тут работает принцип подобия, близости химического строения и свойств для пары твердое тело – жидкость. Например, для металла нет ничего лучше… расплава металла. Или жидкого металла, например ртути. Цинковая пластинка легко гнется, и ей можно придать любую форму, но стоит смочить ее поверхность ртутью (или еще лучше – галлием, плавящимся при 30 °С), и она при нагрузке треснет на кусочки, как стекло. Это, кстати, один из опытов, который Ребиндер демонстрировал на лекциях.

Этот эффект широко применяется на практике. Возможно, вы видели, воочию или на экране телевизора, как бурят скважины или обрабатывают металлические детали на станках, и обратили внимание на то, что в скважину закачивают какой-то раствор, а на металлическую деталь постоянно льется какая-то жидкость. Очевидные объяснения, которые приходят на ум: это делается, во-первых, для охлаждения трущихся поверхностей и, во-вторых, для удаления образующихся мелких частичек горной породы или металла. Все это правильно, но не меньшее значение имеет содержащееся в растворе, специально подобранное поверхностно-активное вещество, которое уменьшает прочность обрабатываемого твердого тела и многократно увеличивает скорость процесса.

Что ж, с обычными материалами все понятно, скажете вы, причины эффекта кроются в их несовершенстве, но как обстоит дело с монокристаллическими твердыми телами, в которых отсутствуют внутренние поверхности раздела? Ведь недаром критики Ребиндера апеллировали именно к этим материалам? И тем не менее эффект адсорбционного снижения прочности наблюдается и в этом случае. Дело в том, что твердое тело может обладать идеальный внутренней кристаллической структурой, но поверхность-то его при этом будет неидеальной, на ней будут присутствовать разные впадинки, микротрещины, выступы и уступы. И именно в местах этих дефектов поверхности при механической нагрузке происходит разрушение кристалла. Начинается оно с образования трещины, а если рядом с этим местом находится поверхностно-активное вещество, то… см. выше.

Так есть ли предел процессу измельчения твердого тела? Есть. “Стоит только измельчить твердое тело на достаточно мелкие кусочки, и эти кусочки той же самой природы, того же состава будут наиболее прочными, почти идеально прочными”, – писал еще несколько десятилетий назад Ребиндер. Причина этого заключается в том, что описанное выше разрушение кристалла происходит по так называемым плоскостям спайности и в результате этого образуются идеально гладкие поверхности, то есть по мере разрушения происходит как бы идеальная огранка образующейся частицы. Ребиндер оценил минимальные размеры такого идеального кристаллита, которые составили 5–10 нанометров. Разрушить его практически невозможно, ведь в нем нет трещин и других дефектов – все они были “использованы” на предыдущих стадиях размола.

Но мысль Ребиндера на этом не остановилась. Ведь если мы имеем идеально прочные строительные блоки, то почему бы не попытаться собрать из них новое твердое тело? По составу оно ничем не будет отличаться от тела, подвергнутого разрушению, но прочность его должна быть существенно выше. Это вытекает из следующего примера. Наполним ящик шариками. Как мы их ни перетряхивали, общее число контактов между ними останется постоянным. Но это число будет зависеть от диаметра шариков: чем диаметр меньше, тем больше шариков поместится в ящике и тем больше будет между ними контактов. Если принять, что прочность каждого контакта не зависит от диаметра шарика (а в реальности дело обстоит именно так), то окажется, что с уменьшением диаметра шариков общая прочность их сцепления возрастает.

Таким образом, стратегия “прочность через разрушение” заключается в следующем: мы разрушаем некое твердое тело до минимально возможных частиц, затем максимально плотно заполняем ими заданный объем и дополнительно упрочняем контакты между частицами, например, за счет нагревания или специального клея. Это на бумаге. На практике все выглядит намного сложнее, но это работает. Давно и в промышленном масштабе.

А что мы имеем в наше время, в эпоху нанотехнологий?

Любая вводная лекция или научно-популярная книга по нанотехнологиям непременно включает описание методов получения наноразмерных объектов. Так как на шкале размеров эти объекты занимают промежуточное положение между атомами и макроскопическими телами, существует две наиболее общие стратегии их получения: мы можем собрать их из атомов (мысленно, конечно) или, наоборот, измельчить макроскопический объект. Образно эти стратегии называются “снизу-вверх” (bottom-up) и “сверху-вниз” (top-down).

При дальнейшем изложении проблемы лекторы и авторы книг испытают легкий дискомфорт. Единственным примером, который приходит им на ум при обсуждении “общего” метода получения нанообъектов методом “сверху-вниз”, служит банальное механическое измельчение. В рассказе о “революционных” технологиях оно выглядит как-то странно, отсюда и дискомфорт. У некоторых авторов это порождает желание “улучшить” ситуацию, и они записывают в технологии “сверху-вниз” методы, которые таковыми не являются. На руку им играет то, что во многих случаях при получении нанообъектов в качестве исходных используют макроскопические тела. Приведу один пример. Есть такая молекула – фуллерен С₆₀, вылитый футбольный мяч, составленный из шестидесяти атомов углерода (о ней более подробно – в двенадцатой главе). Изумительно красивая молекула и размер – в точности один нанометр, поэтому фуллерен С₆₀ часто используют в качестве символа или эмблемы нанотехнологий. Так вот, получают его сейчас нагреванием при высокой температуре куска графита – в одну стадию! Чем не технология “сверху-вниз”? Но ведь механизм этого процесса состоит в том, что графит испаряется с образованием атомов углерода, которые в газовой фазе “собираются” в молекулу фуллерена, то есть перед нами классический пример метода “снизу-вверх”.