Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

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.