Самое драгоценное свойство алмаза раскрыто не в ювелирных мастерских, а в заводских цехах. Незаменимым оказался “ювелир” и при обработке особо твердых и тугоплавких материалов.
Но является ли сам “царский камень” пределом твердости? Оказывается, нет. Тверже алмаза может быть, например, сам алмаз, “закаленный” взрывом.
Взрывной метод и кристаллы
Еще несколько десятилетий назад понятия — взрыв и кристалл — считались абсолютно несовместимыми. Действительно, что может быть общего между кристаллами, которые иногда разлетаются вдребезги даже при падении со стола, и взрывом, сокрушающим прочные железобетонные сооружения? И тем не менее были созданы устройства, позволяющие подвергать кристаллы взрывному воздействию без разрушения. Исследования показали, что кристаллы разрушаются не столько от прохождения через них ударных волн, а главным образом в результате отражения и изменения скорости волн на границе кристалла со средой, в которой он заключен. Если подобрать материал оболочки-контейнера так, чтобы волны проходили равномерно через его границу с кристаллом, последний часто удается сохранить. Так взрыв стал инструментом изучения и преобразования кристаллических материалов.
Взрыв может создавать, хотя и на очень короткое время, давление до миллионов атмосфер и температуры до десятков тысяч градусов. Изучение веществ при таких условиях позволяет понять механизм и последствия процессов, протекающих, например, в недрах земли, планет или при соударении космических объектов.
Мощное энергетическое воздействие способно влиять на самые глубинные электронные слои атомов. Взрывной метод предоставляет поэтому отличную возможность изучить своеобразное “белое пятно” в представлениях о строении атома, тот участок его пространства, который находится на границе химии, изучающей внешние электроны атома, и физики, исследующей строение ядра. Наконец, мощное импульсное воздействие на кристалл может привести и к полной перестройке его структуры, то есть к получению новой формы вещества.
Общетеоретические вопросы физики взрыва и ударных волн были уже достаточно давно разработаны в трудах академиков Я. Зельдовича, М. Лаврентьева, Н. Семенова и их учеников, а впоследствии взрыв стал использоваться и в лабораторных целях.
Если с помощью мощного импульса получить ударную волну и заставить ее распространяться в кристаллическом пространстве, то в зависимости от ее силы там разыгрываются разные события. Слабые ударные волны вызовут лишь разупорядочение, разориентацию мельчайших кристаллических блоков, из которых построено каждое твердое тело. При усилении ударных волн будут расшатываться, ослабевать силы сцепления между более мелкими соединениями атомов, и кристалл в некоторых отношениях будет вести себя как легкоподвижная жидкость. Наконец, при очень сильном воздействии наступает ионизация материала, появляется электронный газ.
Взрывной метод в химии и его значение
Таким образом, взрывной метод позволяет последовательно получить различные состояния материи и изучать их проявления. В ходе исследований наметились реальные возможности практического использования их результатов. Установлено, например, что импульсная обработка ряда материалов приводит к их упрочнению. Но в чем сущность явления? Что происходит с тем же кристаллом? Известно, что его твердость практически определяется спайностью, то есть способностью раскалываться по самым слабым местам — по тем направления, где между атомами действуют наиболее слабые силы сцепления. Яркие примеры этому дают слюда и графит, которые легко расщепляются на тонкие пластинки — чешуйки. Карандашом можно писать именно благодаря совершенной спайности графита. В гораздо меньшей степени она есть у каждого монокристаллического тела. Так вот, разориентация блоков ударной волной приводит к тому, что направление плоскости спайности у одного кристаллического зерна уже не будет совпадать с такой же плоскостью у соседних. В результате действие эффекта спайности снижается, а твердость кристалла возрастает в зависимости от силы ударных волн.
Но если твердость в значительной мере зависит от разориентации кристаллических блоков, то максимальный эффект будет получен, очевидно, на порошках, где крупинки расположены хаотически и, следовательно, максимально разориентированы. Опыты подтвердили это предположение. Изменяя величину давления и конфигурацию ударной волны, твердость материалов можно повысить в два раза и более.
Принципиально новые возможности для фазовых превращений кристаллов взрыв открывает в силу своей скоротечности. Огромные давления возникают на миллионные доли секунды, а затем мгновенно “гаснут”.
Но при определенных условиях само “детище” взрыва можно сохранить и после снятия давления. Таким образом удалось добиться прямого превращения графита в алмаз, гексагонального нитрида бора в алмазоподобный боразон.
С помощью взрывного сжатия удалось осуществить и другой тип превращений, которые называют изоморфными, поскольку — в отличие от предыдущего случая — изменялась не форма кристаллической решетки, а только ее размеры. Этот случай представляет принципиальный интерес: здесь удалось сблизить атомы на расстояния более короткие, чем те, которые отвечают равновесному состоянию, и создать в результате исключительно благоприятную ситуацию для изучения природы химической связи.
Можно получить (и уже получены в экспериментах на соединениях редкоземельных металлов) еще более тонкие изменения в строении кристаллов, когда расположение атомов и расстояния между ними в пространстве остались практически прежними, а свойства, распределение электронной плотности резко изменились.
Алмаз из графита и кислород в коробке – реальность?
Перспективы применения взрывных методов в науке и технике всегда представлялись достаточно широкими. Укажем хотя бы на одну весьма важную возможность. Опыты, проведенные впервые в Институте химической физики показали способность ударной волны полимеризовать органические молекулы, а полимеры — вулканизировать, то есть превращать точечные или линейные структуры в двух- или трехмерные сетки. А если такой же процесс удалось бы осуществить на неорганических молекулах, скажем, углекислого газа или кислорода? Очень заманчиво. Тогда в результате полимеризации возникли бы соответствующие твердые тела — твердые при обычных температуре и давлении.
Природа показывает нам пример подобной полимеризации — это озон, каждая молекула которого в отличие от кислорода состоит не из двух, а уже из трех одинаковых атомов. Современная техника импульсного сжатия позволяет, человеку как бы продолжить начатое природой.
Если удастся в полной мере овладеть процессом полимеризации кислорода и научиться сохранять продукт ударного сжатия, то у нас в руках окажется сильнейший концентрат кислорода. Легко представить, насколько он пригодится в промышленных процессах окисления, для обеспечения жизнедеятельности космонавтов и акванавтов. Они смогут, отправляясь в полет или плавание, брать с собой коробочки с “атмосферой”.
Такие возможности пока лишь мечты. Мы еще не знаем в точности, каким путем надо идти, чтобы сохранить твердый кислород, но, как сказал однажды при обсуждении проблемы новых материалов известный английский ученый Д. Бернал, если есть шанс — не уверенность, а просто шанс — на получение чего-то полезного, то в это стоит вложить массу энергии.
