Заглянем в будущее

Ученый — сухой рационалист, ползучий эмпирик, бескрылый футуролог, ограниченный, узкий, недальновидный и прочее (это эпитеты, которыми награждает научных деятелей писатель Артур Кларк) — не может разрешить себе предсказания подобных поразительных событий. Причина кроется в повышенном уважении к законам природы. Что касается устройства вещества при тех условиях температуры и давления, при которых мы существуем, то оно подчиняется строго установленным законам квантовой механики и статистической физики. Безупречное выполнение предсказаний, которые делаются с помощью этих законов природы, то обстоятельство, что практически вся современная цивилизация рухнула бы, если бы эти законы не были всеобъемлющими, позволяет специалисту в области строения вещества утверждать, что он доподлинно знает предельные возможности природы в отношении создания новых веществ. А раз так, то он может сказать, какие же свойства материалов возможны, а какие немыслимы и противоречат навечно завоеванному опыту науки.

Прежде чем приступить к экстраполяционным прогнозам, мне придется напомнить читателю некоторые азбучные истины, касающиеся строения вещества. Для наших целей будет вполне достаточно восстановить в памяти несколько общих правил и законов. Конкретное знание совершенно не обязательно. Честно говоря, и сам автор не возьмет на себя смелость рассказать, как расположены атомы в минерале мусковите или какова последовательность соединения частиц в нитрате альфа-нафтил-метилен-имидазолина, который мы капаем в нос, когда у нас насморк.

Итак, поговорим лишь об общих идеях, лежащих в основе строения тел.

Прежде всего дадим ответ на такой риторический вопрос: почему нельзя играть в футбол на склоне горы Эльбрус? Ответ: потому, что мяч покатится вниз. И долго это будет продолжаться? Ответ: до тех пор, пока мяч не попадет в глубокую лунку или яму, а если избежит такой судьбы, то очутится в долине.

Футбольный мяч слушается закона. Ему положено природой успокоиться в такой ситуации, которой соответствует минимум его энергии. Если мяч докатился до самого подножия горы, то он устроился наиболее удобно. Выкатиться из долины ему не удастся. Мы скажем, что речь идет о стабильном, или, по-русски, устойчивом, состоянии равновесия. Если мяч застрял по дороге даже в относительно глубокой яме, то ветром или при землетрясении в районе Эльбруса (они, кажется, там не бывают, но географы меня простят!) он может выбраться из состояния временного равновесия (научные деятели испытывают исторически сложившееся пристрастие к греческому языку и латыни и поэтому такое состояние равновесия называют метастабильным) и в конце концов скатится в долину.

Атомы и частицы, из которых они построены, то есть ядра и электроны, ведут себя схожим образом: они стараются устроиться поудобнее, то есть занять такое взаимное расположение, при котором энергия их сообщества была бы наименьшей.

Теперь представим себя первосоздателями веществ. В нашем распоряжении огромное пространство — большой котел. Мы бросаем туда миллиарды миллиардов атомных ядер и электронов. Следить будем при этом за тем, чтобы число плюсов (на ядрах) и минусов (на электронах) казалось бы равным. Дело в том, что мы хотим создать электрически нейтральные тела, каковыми и являются все окружающие нас предметы.

Начнем понижать температуру в нашем котле. Движение частиц будет становиться все медленнее, и ядра начнут захватывать электроны (минус и плюс притягиваться; эту истину вы наверняка помните). При этом возможны следующие варианты: ядру удобно притянуть к себе как раз столько электронов, сколько надо, чтобы образовался нейтральный атом; ядру удобно забрать число электронов меньше «нормы» — тогда образуется положительный ион; ядро захватило электронов больше «нормы» — образуется отрицательный ион. Может оказаться и так, что скольким-то электронам окажется выгодно остаться непристроенными и находиться, так сказать, в общем пользовании. Наконец, возможно, что ядрам удобнее всего создать микроколлективы и поделить между собой часть электронов. В этом случае говорят: образовалась молекула. Итак, когда температура снижена до минимума, мы можем встретиться со следующими видами твердых тел.

Первый: положительные ионы, сцементированные некоторым количеством «неприкаянных» электронов. Эти тела называются металлами.

Второй вид: шарообразные положительные и отрицательные ионы в виде плотных упаковок. Хотите зрительный образ? Пожалуйста. Упакуйте горкой бильярдные шары (отрицательные ионы), а в пустоте разместите шарики от пинг-понга (положительные ионы). Так построено множество неорганических соединений, например силикаты. Такие тела называют ионными кристаллами.

Могут возникнуть группы объединившихся атомов с обобщенными электронами, тогда про твердое тело говорят, что оно построено из молекул. Если группки атомов относительно невелики, то химики называют соответствующие соединения низкомолекулярными. Напротив, если атомы объединились в очень длинные цепи или клубки, то говорят о высокомолекулярных соединениях, или макромолекулах.

* * *

Составляя этот маленький словарик, без которого все наши дальнейшие прогнозические рассуждения невозможны, я воспользовался словом «кристалл». По опыту лектора знаю, что со словом «кристалл» большей частью ассоциируется что-то совершенное, а потому, увы, редкое. На самом же деле все обстоит как раз наоборот. Редкостью являются некристаллические твердые тела.

Как же так? Кристалл имеет совершенную структуру — безупречно правильные грани!.. Именно поэтому такие образцы мы видим только в минералогических музеях!

Противоречие снимается с помощью обычного микроскопа. Оказывается, твердые тела состоят, как правило, из небольших (меньше микрона) кристаллических зерен. Если одно такое зернышко выделить и дать ему возможность расти, то можно получить из любого вещества (так, по крайней мере, утверждают энтузиасты-специалисты по росту кристаллов, работающие в Институте кристаллографии имени академика А. В. Шубникова) крупный и как бы превосходно ограненный кристалл, ничуть не уступающий по красоте сапфирам и яхонтам.

Как же устроен кристалл?

Идеально упорядоченно, как забор, как обои, как пчелиные соты, как кирпичная кладка. Металлический кристалл — это трехмерная решетка атомов, утопленных в электронном газе. Ионный кристалл — решетка из бильярдных шаров и шариков пинг-понга. Наконец, молекулярный кристалл — плотная упаковка причудливых по форме частиц, закономерно повторяющаяся в любом направлении.

Кристалл — символ идеального порядка, так же как газ — символ хаоса.

Но — и это очень важно для наших прогнозов — нет в мире идеального порядка, не существует и идеально упорядоченных кристаллов.

Кажется, общепризнанно, что наилучшей в мире является шотландская шерсть. Когда мне удавалось найти отрез такой шерсти, я приходил к портному Николаю Васильевичу, и между нами обычно происходил такой диалог.

Н. В. (восхищенно). Да, материал первый сорт, тут уж ничего не скажешь.

Я. Костюм должен получиться великолепным. Хороший материал и ваша работа — тому залог.

Н. В. (без восхищения). Работа тут, прямо скажем, дьявольская. Клетку-то надо к клетке подогнать. Вот, скажем, спинка в рукав переходить будет. Тут уж, понимаете, как надо! Чтоб ни одного миллиметра ошибки!..

Я (просительно). Уж постарайтесь, Николай Васильевич.

Н. В. Да уж не в первый раз…

И действительно, делал так, что линия переходила в линию, клетки образовали правильный узор.

Природа работает хуже Николая Васильевича и при создании трехмерной решетки довольно часто ошибается. Образуются различного рода дефекты — неправильные смещения соседних слоев, пустоты, трещинки.

То, что такие дефекты наверняка существуют и они оказывают решающее влияние на применение твердых тел, было установлено еще в начале нашего века.