Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Лет семь тому назад Издательство иностранной литературы перевело великолепную книжку лауреата Нобелевской премии сэра Джорджа Томсона «Предвидимое будущее». С чисто английским юмором автор писал в предисловии: «В некоторых разделах книги я вышел за рамки теорий, в которых я могу претендовать на какие-либо профессиональные знания. Прошу тех, в чьи заповедные угодья я вторгся, простить мне мою опрометчивость. И если отдельные трофеи, о которых я пишу, существуют только в моем воображении, то по крайней мере такое браконьерство не причиняет никакого ущерба законным владельцам, тогда как случайный пришелец может порой увидеть то, что является одновременно и неожиданным и реальным».
Один из «трофеев» Томсона, сэра Джорджа, имеет прямое отношение к нашему рассказу.
В разделе «Упрочнение материалов» автор затронул интересный вопрос. Удастся ли придать полимерным волокнам еще большую крепость? И если да, то каким способом?
В одном из романов Герберта Уэллса фигурирует сверхтонкая веревочная лестница. Ее разглядеть-то как следует нельзя было, а между тем канаты-паутинки выдерживали вес целой грозди людей. Из чего были сделаны нити? Писатель не дал ответа на наш вопрос. Взглядом художника видел он грядущее. Томсон всматривается в будущее глазами ученого.
И натуральные и искусственные волокна, говорит он, состоят из длинных молекул. Цепочки атомов располагаются обычно вдоль нити. Что же происходит, когда волокно лопается? Быть может, рвутся валентные связи? Мы уже видели, что нетрудно рассчитать силу, необходимую для расторжения уз межатомного сцепления. Оказывается, если бы разрыв нити означал одновременный поперечный разрыв всех полимерных молекул, то такое волокно должно бы быть в двадцать раз крепче любого из самых прочных теперешних!
«Организовать» подобный единодушный разрыв мешает, вообще говоря, та же причина, что и созданию «макроминиатюрных» органических полупроводников — крохотные размеры молекул. Если бы нить имела нормальную толщину, а длиной была с полимерную молекулу — тогда другое дело. Можно единым махом разорвать все валентные связи. Но как в таком случае уцепиться за ее концы?
Реальная нить — длинный клубок тесно перепутавшихся многоатомных цепочек. Далеко не все молекулы полимера расположены голова к голове, хвост к хвосту. Иногда они цепляются своими извивами друг за друга, причем беспорядочно, как попало. Иногда просто касаются друг друга. Что же придает волокну прочность?
Томсон высказывает два предположения.
Возможно, когда на волокно действует нагрузка, молекулярные цепочки подвергаются неодинаковому напряжению. Где тонко, там и рвется: как только большая часть растягивающего усилия сосредоточивается на какой-нибудь одной тонюсенькой молекуле, валентная связь лопается и нагрузка перемещается на следующую молекулу. Та, понятно, не выдерживает. И так далее. Атомные постройки трещат по всем валентным «швам».
Однако, сам себе возражает Томсон, при такой схеме следовало бы ожидать значительного удлинения волокна. Не меньше чем на десятую долю. А этого в действительности не наблюдается.
Остается другое объяснение: волокна не выдерживают нагрузки из-за сдвига одних молекул по отношению к другим. Большинство их при разрыве волокна остаются целыми. Расчеты, исходящие из таких предпосылок, подтверждаются измерениями.
Вывод: своей прочностью волокно обязано не внутримолекулярным, а куда более слабым межмолекулярным силам. Но это все предисловие. Самое интересное ожидает читателя впереди.
Пути увеличения прочности. Каковы они?
Вот они, три трофея Джорджа Томсона!
Во-первых, удлинение молекул. Чем протяженнее полимерные цепочки, тем больше площадь контакта между ними. Стало быть, тем значительнее действие межмолекулярных сил. Опыты свидетельствуют, что подобное наращивание новых звеньев на полимерную цепочку действительно приводит к росту прочности материала. Однако здесь существует потолок: по достижении определенной длины дальнейшее упрочнение прекращается. Возможно, оттого, что отдельные неправильности в структуре материала или самой молекулы вынуждают одну часть молекулы растягиваться и сдвигаться по отношению к соседней молекуле раньше, чем все силы, цементирующие волокно, равномерно распределят между собой нагрузку.
Путь следующий — «сшивание» молекул. Под действием излучений связи между атомами расшатываются, разрываются (вспомните молекулу H2O в верхней атмосфере). Именно с этой целью направляют ученые на полимер потоки всепроникающего радиоактивного излучения. Но в компактной массе вещества, где молекулы сгрудились очень тесно, взамен порванных валентных связей нет-нет да и образуются другие — между соседними полимерными молекулами. Причем сигма- и пи-связи углеродного каркаса могут остаться неповрежденными. Валентные мостики между молекулами удается построить на обломках разрушенных связей C—H, а не C—C или C = C. Ловко орудуя гамма-лучами, словно тончайшими искуснейшими спицами, химики рано или поздно научатся превращать волокна в одну гигантскую разветвленную молекулу.
Наконец, Томсон уповает еще на один шанс.
Сцепление молекул! Цирковые фокусники запросто умеют это делать с металлическими кольцами. А химики с молекулами? В 1963 году в журнале «Сайентифик америкен» появилась статья под названием «Химическая топология». В ней сообщалось о сенсационном эксперименте. Две кольцевидные молекулы, полученные из линейных, удалось зацепить так, что они стали звеньями одной цепочки! Звеньями химически индивидуальными — они не сцеплены валентной связью. Но разорвать цепочку можно было, лишь разрушив какую-нибудь валентную связь одного из звеньев.
Томсон размышлял о путях увеличения прочности. А ведь если присмотреться, в его прогнозах содержится намек и на методы создания полупроводниковых материалов из молекул с сопряженными связями. Какими они будут, эти материалы? Составленными из сверхдлинных макромолекул, как стальной трос из отдельных проволочек? Или сшитыми из разных полимерных цепочек в одну гигантскую разветвленную молекулу, напоминающую углеродный паркет в графитовом слое? А может, найдет применение цепочечное зацепление молекулярных циклов, каждый из которых, как известно, являет собой круговой ток, а значит, и магнит?
Гадать не будем. Тем более что возможны иные пути. Они уже привели к рождению самых настоящих органических полупроводников. Настолько совершенных, что перед действительностью бледнеют даже мечты инженера. Что же это за полупроводники? Где они? И почему ученым не перенять как можно скорее замечательный технологический опыт?
К органическим полупроводникам мы еще вернемся, а покамест посмотрим, как солнечный зайчик превращается в сочный бифштекс.
…В неоглядных просторах мироздания по строго вычисленной орбите несется космический корабль. На борту его — миллиарды пассажиров. Этот корабль — наша Земля. Он обеспечен всем необходимым. Единственное, что ему приходится заимствовать из космоса, — солнечная энергия. Все остальное… А вот откуда оно, это «все остальное»?
Подсчитано, что суммарный объем существ, когда-либо населявших нашу планету, намного больше земного шара. Вступают в жизнь новые поколения, но Земля не «худеет»: по-прежнему безбрежен воздушный океан, не иссякают водоемы, не скудеют ресурсы плодородия.
