Знание - сила, 2003 № 09 (915)

Ежемесячный научно-популярный и научно-художественный журнал

Издается с 1926 года

«ЗНАНИЕ - СИЛА» ЖУРНАЛ. КОТОРЫЙ УМНЫЕ ЛЮДИ ЧИТАЮТ УЖЕ 77 ЛЕТ!

Александр Волков

Эпоха мчится за эпохой, век сменяет век, и в доме своем, не отрываясь от стола, можно стать археологом — отправиться к памятным вершинам человеческого прошлого. Вот простая бутылочка с минеральной водой, неприметная тара — несколько десятков Граммов пластика, и, лишь взглянув

на нее, я переношусь в двадцатое столетие, в пору грандиозного переворота, когда из научных лабораторий стали появляться один за другим невиданные материалы: пластмассы. Это время уже сравнивают с другими переворотами в материальной культуре — освоением бронзы и железа.

Фиолетовый узор на рукаве рубашки внезапно напоминает о «химической революции» 1850 — 1860 годов, эпохе появления искусственных красителей. Тогда один за другим ученые синтезировали все новые красители; мовеин, фуксин, анилиновый розовый, анилиновый желтый, метиленовый голубой...

Если двигаться вдоль узора, то не пройдет и пары секунд, как перенесешься в далекое китайское прошлое. Увидишь бумажный лист, а он, как ковер-самолет, перемчит через половину мира, с запада на восток. Испанцы переняли бумагу у арабов, арабы у китайцев. Древесная кора, тростник, бамбук, старые рыболовные сети, отходы шелкового производства... Когда б вы знали, из какого сора мастерили материал для записи стихов Ли Бо и Ван Вэя! А вот и стихи нетленны, и бумага все так же почти две тысячи лет лежит на столе.

«Как этот мир велик в лучах настольной лампы!» (LU. Бодлер) Можно, даже не глядя в сторону, махнуть еще на две тысячи лет назад — во времена Хеттской державы, в век железа. Что там у меня металлического на столе лежит? Неловкое движение — и на пол слетает непримеченная чашка. Неужели она разбилась? Вот памятник из памятников, реликт из реликтов — простая керамическая чашка. Архиархаика, каменный век на вашем столе! И тут я переношусь в такую «седую древность», что она... смыкается с самой передовой современностью.

Давно прошли те времена, когда керамика годилась только на чашки для застольных бесед или облицовочную плитку для скрашивания кухонных хлопот. Современные технологии способны превратить ту же керамическую плитку — «камень в руке» — в подобие гуттаперчи, которой — прочной и гибкой! — всюду найдется место. Области ее применения, предрекают специалисты, перечислить нетрудно, называй все подряд отрасли промышленности — пригодится везде. Авиация, автомобилестроение, железнодорожный транспорт, компьютерные технологии, космонавтика, машиностроение, медицина, производство бытовых товаров, экология, электротехника... Парадокс, но керамика — самый древний материал, созданный человеком, — оказалась еще и очень современным материалом. Не все торжествовать пластмассе!

История керамики начинается более 20 тысяч лет назад, когда люди случайно открыли, что из мокрой глины можно вылепливать любые предметы, а после обжига на огне эти поделки становятся твердыми, как камень. Отныне керамические сосуды и фигурки людей и животных — последние использовались в религиозных культах — становятся неизменными спутниками человека.

Было время, и наши предки мастерили кувшины из меха животных, выдалбливали посуду из дерева или высушенных тыкв; теперь на смену подобной утвари пришли глиняные горшки и миски. В них гораздо легче было хранить пищу и особенно воду. Обзаведясь новехонькой посудой, люди начали создавать запасы продуктов и торговать ими и, конечно, керамикой. Последняя становилась все прочнее; в нее добавляли кварц и полевой шпат, ее обжигали при более высокой температуре. Наконец, был изобретен гончарный круг.

Техника изготовления керамики в Европе почти не менялась на протяжении тысячелетий. Тем удивительнее было видеть в багаже средневековых купцов или путешественников, возвращавшихся из Китая, тончайшие белые чашечки, часто еще и затейливо украшенные. Так европейцы узнали о фарфоре — керамике королей и императоров. Выведать секрет его изготовления никому не удавалось, пока случайность не помогла.

Триста

лет назад алхимик Иоганн Фридрих Беттгер по поручению саксонского курфюрста Августа Сильного попытался изготовить золото и после множества неудачных попыток получил... «белое золото» — фарфор. Его секрет оказался в более высокой температуре обжига, ином соотношении полевого шпата и кварца и добавлении каолина — минерала, который встречается, например, в районе саксонского города Мейсен.

Лишь в наше время с помощью электронного микроскопа удалось увидеть, что происходит при обжиге фарфора. Кварц и полевой шпат превращаются в стекловидное вешество. Оно связует фарфор, и в то же время тот становится полупрозрачным. При высокой температуре меняется и каолин: в нем образуются игольчатые кристаллы, придающие фарфору прочность.

В XIX веке начинается техническое применение керамики. Так, без фарфоровых изоляторов немыслима была электрификация. Со временем из керамики стали изготавливать свечи зажигания и кислотостойкие насосы, элементы для микропроцессоров и шарики для подшипников.

Не только назначение керамики стало иным, но и ее состав. Теперь слово «керамика» — это собирательное понятие, охватывающее неметаллические неорганические материалы, полученные спеканием при высоких температурах. Свойства керамики варьируются самым широким образом, что открывает перед ней неожиданные возможности применения.

Вот один из примеров: раньше в фаворе у авиастроителей был алюминий — металл очень легкий и гибкий. Теперь керамика может потеснить даже его. Если подмешать в расплав магния полые керамические шарики, то при застывании они встраиваются в его структуру. Возникает прочный и дешевый композиционный материал, имеющий целлюлярную структуру. Во многих отношениях он напоминает дерево и кость — легкие натуральные материалы, способные выдержать очень большую нагрузку. Именно такую керамику было бы идеально использовать для обшивки авиалайнеров следующего поколения. Это заметно уменьшит вес самолета, а значит, снизит расход топлива.

Дерево, кость — природа... Учиться у нее и учиться! В правоте этих слов исследователи убедились лишний раз, пытаясь повысить прочность керамики. Взяв за образец структуру алмаза, они создали так называемую высокопрочную керамику — материал, наделенный самыми выгодными свойствами. Он тверд, как алмаз, не подвержен износу и коррозии, выдерживает высокие температуры и вдобавок очень легок. Его можно использовать в авиастроении и машиностроении, в энергетике, теплотехнике и медицине.

Впрочем, у подобной керамики выявился тот же недостаток, что у обычной, например, у чашки, слетевшей с моего стола, — хрупкость. По мере повышения механической нагрузки керамика не деформируется, как металл или пластмасса, а ломается, как дерево. Однако и с этой проблемой начали понемногу справляться. Так, японские исследователи изготовили оксидную керамику, состоящую из циркониевого, алюминиевого и магниево-алюминиевого оксидов, взятых в равном количестве. Получился материал с поликристаллической структурой, где размер отдельных кристаллов достигал всего 0,0002 миллиметра. После нагревания до 1650 градусов материал начал вести себя необычно: он растягивался, как резина, но не ломался. Теперь длина стержня, изготовленного из этой керамики, могла увеличиться под действием нагрузки раз в десять.

В различных странах мира ведутся эксперименты в этом направлении. Так, керамика на основе титаната стронция оказалась такой же пластичной, как алюминий. Отлично зарекомендовала себя керамика на основе жидкого кремния. Ее можно использовать при строительстве турбин для авиационных двигателей или электростанций. Обычно их изготавливают из металлических сплавов, чья рабочая температура не превышает тысячи градусов. Если бы удалось повысить ее, возросла бы и мощность двигателя. Однако пока эксперименты проводились лишь с металлическими турбинами, все попытки превысить этот температурный предел терпели неудачи. Возможно, что проблему решит высокопрочная керамика. Опыты показали, что она может выдерживать температуру до полутора тысяч градусов.