Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
Еще очень мало известно о температуре кристаллизации, летучести солей, о верхних температурных пределах существования расплава. Еще не проложены даже тропинки, по которым можно было бы устанавливать связи между диаграммами различных свойств этих жидкостей.
В качестве далекой, прицельной темы выдвигается разработка способа управления коррозией, вызываемой расплавленными солями. Как известно, в большинстве случаев они разъедают омываемые металлические поверхности. Но можно найти вещества, которые придадут бывшему «яду» свойства «бальзама». Заманчивая перспектива!
Трудно предсказать масштабы и все направления того грандиозного наступления техники будущего, которое сейчас готовится на совсем еще недавно целинной почве неорганики — на почве редких элементов.
Взять хотя бы группу редкоземельных.
«В чем их польза?» — ломали голову химики-неорганики, с колоссальным трудом выделяя и разделяя редкоземельных близнецов. Практики пожимали плечами: «В стекловаренном деле, в керамическом производстве… А еще где их можно использовать, неизвестно. Так что, товарищи химики, не торопитесь пока с выпуском этой дорогой продукции».
Но не много требовалось времени, чтобы странные, неизвестно для чего «предназначенные» природой уникумы превратились в стратегическое сырье. Впрочем, подобными превращениями XX век не удивишь. Он свидетель триумфального шествия в производственную практику таких славных выдвиженцев неорганики, как ванадий, кобальт, молибден, уран, плутоний, торий, бериллий и другие.
Стратегическими редкие земли стали, как только приглянулись атомной технике. Ученые заявили, что в этой области церий, гадолиний, самарий, европий и особенно иттрий найдут самое разнообразное применение.
Эти металлы ведут себя неодинаково по отношению к так называемым тепловым нейтронам. Вспомним, что тепловые, медленные, нейтроны играют в ядерном реакторе роль инициаторов и продолжателей цепных реакций, то есть ведущую роль. Если их число недостаточно — ядерное топливо лишь займется и «погаснет». Если их больше нормы — дело плохо: цепная реакция наберет такие темпы, что ее не отличишь от взрыва. Так что тепловых нейтронов обязательно должно быть не больше и не меньше, чем нужно для стабильного рабочего процесса.
Ядерное горючее — уран, плутоний или торий — загружается в реактор в металлических оболочках. Есть и другие металлические конструкции, находящиеся в активной зоне реактора. Конструктивный материал должен не мешать медленным нейтронам совершать свою работу по раскалыванию ядер, то есть, как говорят специалисты, иметь небольшое сечение захвата тепловых нейтронов. Иттрий как раз имеет малое сечение захвата. Да к тому ж он легок и прочен. Все это выдвигает элемент № 39 в первый ряд конструкционных материалов для атомной техники.
А вот лантаноиды гадолиний и европий имеют большое сечение захвата тепловых нейтронов. Тоже ценно! Они позволяют решить более успешно проблему биологической защиты. Американские ученые считают, что вместо толстых плит можно будет делать тонкие, легкие. А ведь громоздкая, тяжелая биологическая защита — одно из серьезных препятствий на пути проникновения атомного двигателя в авиацию.
Но не только атомная техника признала редкие земли. Металлурги установили, что смесь этих элементов — так называемый мишметалл — оказывает благотворное влияние на нержавеющие стали: повышает их прокатываемость (больное место большинства марок) и коррозионную устойчивость.
Выяснилось, что, например, окиси празеодима, церия, лантана обладают высокой термоэлектродвижущей силой. При нагревании до температур 500–750 градусов они становятся электробатареями, дающими напряжение до 1,4 вольта.
Иттрий проявил себя как отличный геттер — поглотитель газов, выделяющихся в условиях глубокого вакуума. А глубокий вакуум, как и высокие давления, — это ультрасовременное, непрерывно совершенствуемое оружие науки и техники, волшебный ключ к разгадке многих тайн природы, созданию поразительных приборов, проведению необычайных процессов. В обеспечении сверхглубокого разрежения кровно заинтересованы исследователи высокотемпературной плазмы, термоядерных реакций. Нужен надежный вакуум и конструктору гироскопа — автоматического поводыря космических кораблей. И творцам электронных ламп, кинескопов. И синхрофазотрону…
Более скромны и земны возможные применения церия. Совместная работа Центрального научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института, Государственного института редких металлов и Горьковского автозавода показала, что этот элемент заметно улучшает чугун, из которого автозаводы льют коленчатые валы.
На совещании по применению редких элементов, которое состоялось в 1962 году в Свердловске, рассказывалось о том, что большой интерес проявляется сейчас машиностроением к цирконовым концентратам. Они оказались великолепным противопригарочным средством. Применение их позволяет вдвое сократить число обслуживающего персонала формовочных отделений литейных цехов. Отливки получаются с чистой поверхностью, и обрубочные операции сводятся к минимуму. Уже многие заводы Украины и Российской Федерации используют цирконовые концентраты для этих целей.
А что, если «одаренный природой» элемент бор соединить с редкоземельными? Эта счастливая мысль помогла химикам-неорганикам найти очень ценные для радиоэлектроники материалы. Бориды редкоземельных металлов, особенно гексаборид лантана, обладают способностью при нагреве выбрасывать чрезвычайно большое количество электронов, иначе говоря — высокими термоэмиссионными свойствами. Боридные катоды отлично работают в условиях низких давлений, могут эксплуатироваться при больших напряженностях поля; их свойства не ухудшаются от ионной бомбардировки.
Если сравнительно недавно практика вяло реагировала на предложения неорганики добывать редкоземельные элементы, то теперь она обвиняет химиков, что те вяло совершенствуют способы производства этих труднодоступных элементов, что редкие земли еще непростительно дороги, что их мало. Впрочем, спрос появился еще далеко не на все лантаноиды. Но со временем, когда станет более ясно, в чем их польза, спрос появится. Иначе быть не может. Неприменяемые ныне элементы — это двери в будущее, пока плотно закрытые. И нет на свете интереснее и важнее того, что за ними. А значит, кто-то уже настойчиво ищет соответствующие ключи.
Выступая в Праге на Международном симпозиуме по планированию науки, академик П. Л. Капица говорил, в частности, о том, что «нет еще количественной теории, которая бы связывала свойства вещества — например, механические, способность противостоять окислению в условиях высоких температур и другие — с его химическим составом и физической структурой, хотя природа сил между атомами хорошо известна.
Поэтому основной путь исканий здесь — эмпиризм. Но нетрудно показать, что даже эмпиризм не может полностью решить эту задачу. Нам известны около 100 элементов, которые образуют сплавы. Положим, что описание нужных свойств одного металла или сплава — его прочность, жаропрочность, упругость, электропроводность и так далее — занимает одну страницу. Для описания свойств самих элементов потребуется 100 страниц, для описания бинарных сплавов потребуется уже 10 тысяч страниц. Сплавы тройных систем уже займут миллион страниц. Легко видеть, что исследовать и систематически описать тройные сплавы является
