Иногда можно спутать материал и вещество. Принято такое определение через отрицание: материалом не являются пища, топливо и лекарства - потому что перечисленные объекты в процессе использования вступают в химические реакции и постепенно исчезают, почти полностью. После подобного примера студенты спрашивают о том, куда можно в таком случае отнести жевательную резинку. Никуда не могу ее отнести: ни туда, ни сюда.
Наука материаловедение - междисциплинарная и состоит из химии, физики и математики. Материаловед изучает химический состав; структуру, строение материала; его свойства и его применение. Вот между этими четырьмя позициями есть стрелочки взаимных связей, эти связи мы и должны изучить.
В области материаловедения наша страна довольно долго держалась на мировом уровне. Наша металлургия (а материаловедение туда частично входит) была передовой до середины 60-х годов, потом мы начали тормозить. Но некоторые части материаловедения и сейчас находятся на высоком уровне.
Простой пример. Один из международных крупнейших журналов Acta Crystallographica включает в себя резюме на четырех языках: английском, французском, немецком и русском. Так что с точки зрения научных основ материаловедения у нас еще работают ученые, которые находятся на передовом уровне.
Наши главные причины отставания в том, что материаловедение - комплексная наука. У нас просто перестали обращать внимание на то, что ученых надо выращивать, а не по приказу создавать. Например, оснащение науки и техники в середине 60-х на Западе было совершенно другим, а у нас были старые микроскопы. Без развития наука и технологии разрушаются.
Для появления новых материалов никто задач в науке не ставит
Заказать какой-то новый материал, как и любое открытие в науке, невозможно. Сначала случайно открыли сам эффект, как например способность материалов запоминать форму. Этот эффект ни физикой, ни химией, ни математикой предсказан не был. Его обнаружили, наблюдая за поведением материала под действием температуры, давления при исследовании обычных свойств. И вдруг оказалось, что он может запоминать форму. За спиной этого эффекта стоит давно известное физическое явление - "мартенситные превращения" - то, что происходит при закалке сталей, известное в Китая на протяжении пяти тысяч лет.
Одно и то же вещество может иметь две структуры: графит и алмаз - это углерод. В железе тоже есть две структуры, и благодаря этому закаливается сталь. Это же явление наблюдается в некоторых других, не железных сплавах, но оно сопровождается памятью формы. Изменение одного кристалла, одной структуры в другую происходит так, что внешняя форма кристалла запоминается и при нагревании разгибается.
На многие открытия, сделанные еще в ХХ веке, не было спроса по причине их противоречия законам физики и химии.
Например, металлические стекла - новшество в материаловедении. Они не прозрачные, они такие же, как металл. А называются они стеклами потому, что у них так же, как и у обычного стекла, нет кристаллической решетки. Считалось, что раз металл получился в таком состоянии, то будут новые свойства, откроются новые перспективы техники. Был примерно такой же шум, как сейчас вокруг нанотехнологий. Но шум прошел, осталось очень положительное достижение, новое состояние, новое строение металла, которое не получали в древности. Сегодня металлических стекол на всем земном шаре делается около миллиона тонн, это много.
Когда мы говорим о самых передовых открытиях, то вспоминается одна из последних Нобелевских премий по химии. Ее получил Даниэл Шехтман из Израиля, который показал, что могут быть материалы запрещенной в кристаллографии оси симметрии пятого порядка.
Необходимо отметить, что в конце ХХ века несколько Нобелевских премий были как раз по материалам. Но эта Нобелевская премия отличается от других. Квазикристаллы - это тоже материалы. Даниэл Шехтман открыл их в промышленном сплаве - алюминия с марганцем.
Он хотел сделать металлическое стекло в сплаве алюминия с марганцем. Он его выплавил, вылил струечку на медный барабан, как все делают, думал, что получит стекло. Снял на рентгенограмму и ужаснулся: там было пять пятен, вместо шести или четырех. В кристаллах нет осей симметрии пятого порядка. Из школьного примера мы знаем, что на четверть оборота квадрат опять будет выстраиваться как квадрат, ничего с ним не случится. Дальше, пятиугольник можно вертеть на одну пятую поворота. У пятиугольной фигуры можно поворачивать на угол одну пятую и получать тот же пятиугольник. Но если вы хотите из пятиугольников выложить периодическую структуру - не получится, это запрещено теоремой Пифагора.
И тогда весь мир перевернулся, потому что это было опровержение теоремы. На самом деле и другие наблюдали такой эффект, просто самым смелым оказался именно он, это отважный человек. Ему пришлось взять в соавторы трех людей - авторитетных профессоров из Англии и Франции. Премию дали за одну статью 1984 года. В этой статье четыре автора, но Нобелевский комитет правильно и хорошо разбирается во всем, и дали ему одному.
Данное открытие пока не нашло практического применения, но сам факт открытия показал, что есть другие принципы организации структуры вещества. Уникальность состоит в том, что применяются те же самые способы, как и укладка молекул в живой природе.
Человеческий организм как новый материал
Современные направление показывают, что на биологических молекулах будут основываться новые материалы. То есть появилась возможность из частей нашего организма создавать материалы.
Вся электроника, компьютеры - это кремний, двоичный код. Сейчас идут работы, чтобы память делать не на кремнии, а на биологической молекуле, у которой может быть не два состояния, а шесть или восемь. У нас в задней стенке глазного яблока есть белочек, биологическая молекула, которая хорошо высушивается и под действием электрического поля имеет шесть разных состояний. Есть публикации об этом, и наши отечественные в том числе, где проектируются такие компьютеры. Поскольку там азбука не из двух букв, они проектируются на китайских иероглифах. Каждая единичка - иероглиф, понятие.
Сталь – божественный подарок
Оружие массового поражения на границе бронзового и железного века появилось благодаря стали. Когда удалось приготовить в большом количестве стальные наконечники стрел, появилась лучники, которые, отпуская тетиву, создавали психологический эффект ведения боя. И это сделала сталь. Она мягкая и позволяет сделать из нее что-то очень сложное. А при нагревании и помещении в воду она становится прочной. Это чудо.
Это явление закалки - божественный подарок. Тот, кто занимается сталью, обязан все знать про углерод. Потому что сталь - это железо с углеродом - волшебный союз.
Закалка стали на современном языке - это самопроизвольное образование наностурктуры. Этот процесс можно сравнить с расположением зрителей в театре. Зрители - это атомы углерода, они вынуждены сесть упорядоченно в ряды. Но вот детали рассаживания будут зависеть от того, как охлаждать. Среды для закалки бывают разные. Не только вода, а соленая вода, сода, жидкий свинец, расплавленный цианистый калий – при помощи которого достигаются самые лучшие свойства. Сталь внешне становится очень красивой. В цианистом калии еще изменяется состав поверхностных слоев, который и придает особые свойства.
Основная деталь в старых зингеровских швейных машинках – шпуля - делалась как раз с применением процесса цианирования, поэтому они работают вечно.
