Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Позднее Средневековье и начало Нового времени ознаменованы распространением стеклодувного производства. Разработкой технологий получения цветных стекол занимался М. В. Ломоносов. Открытие особой природы стекла состоялось лишь в XX в., когда ученые во всем мире стали проводить крупномасштабные исследования атомарной и молекулярной структуры разных веществ посредством рентгеновских лучей. Длина волны таких лучей настолько мала, что они легко высвечивают крайне малые элементы строения вещества, включая молекулы, узлы кристаллической решетки, атомарные комплексы и отдельные атомы.
Выяснилось, что твердые физические тела обладают строго упорядоченным строением, причем оно остается практически неизменным во всех частях тела. То есть кристаллическая решетка, в которую выстроены атомы или молекулы твердого тела, неизменна в любой своей точке. Определенные узлы, комплексы или любые другие значимые структурные группы повторяются через некоторый пространственный интервал. Такое строение физического тела называется дальним порядком.
В жидкостях дальний порядок полностью отсутствует, зато существует ближний порядок, который и обеспечивает их вязкость. Ближний порядок означает наличие слабо связанных друг с другом молекулярных комплексов. Внутри комплекса частицы сравнительно упорядочены, но сами комплексы размещаются в пространстве хаотически. Сходным строением обладают аморфные тела, или стекла. Их нельзя отнести к твердым или жидким телам. Если соблюдать точность, они даже не занимают промежуточного положения между ними.
Стекла являются промежуточным состоянием между твердым телом и газом, от жидкостей их отличает лишь крайне высокая плотность. Из-за этого аморфные тела внешне проявляют почти все существенные признаки твердых, хотя атомы внутри этих тел не занимают строго определенного положения. Таким образом, стекла никогда не образуют многогранных кристаллов. Название «стекло» было присвоено аморфным телам не случайно. Получить данное агрегатное состояние для какого-либо другого вещества, кроме стекла, довольно-таки трудно. В природе можно встретить тектиты, происхождение которых связывают с падением на нашу планету метеоритных тел, и вулканическое стекло. Тектиты представляют собой твердые каплевидные шарики темного цвета, которые находят в породах на всех континентах, за исключением Южной Америки. Во время падения метеоритного объекта грунт, в который врезается космическое тело, подвергается мощному ударному воздействию. В результате происходит взрыв раскаленного метеорита, и на земле образуется воронка-астроблем, называемая метеоритным кратером.
Астроблемы имеют форму чаши, а сверху выглядят кольцевыми структурами. Во время взрыва грунт внутри кратера разрушается и частично оплавляется, после чего оказывается выброшенным с высокой скоростью в небо. Постепенно дожди и ветра разрушают следы астроблема, а сами тектиты оказываются похороненными под слоем песков и прочего обломочного материала. Иногда они сохраняются на поверхности, причем в большом количестве.
В Австралии слезовидные тектиты, возраст которых датируется 600 тыс. лет, удается найти даже в желудках страусов эму, а также в гнездах шалашников, которые обожают собирать разнообразные блестящие предметы. Австралийские камни-капли относятся к семейству сравнительно молодых тектитов, к которым причисляются также найденные на Яве и Филиппинских островах. Гораздо древнее группа молдавитов, обнаруженных в Восточной Европе, главным образом в Чехии. Их возраст равняется 14,8 млн лет. Возраст же техасских тектитов насчитывает 30 млн лет.
Оплавленная масса грунта, образующая под действием взрывной волны капельки-тектиты, во время застывания превращается в стекло, а точнее, переходит в аморфоподобное состояние. Вулканическое стекло возникает при застывании лавовой массы, исторгнутой из недр вулкана. Нередко оно несет на себе следы двойного оплавления. Повторно стекло оплавляется тогда, когда поверх застывшей лавы течет новый раскаленный поток, плавящий подстилающее его вещество. Так возникает аморфоподобная масса.
Все прочие виды аморфных и аморфоподобных веществ, известных науке, были получены человеком. Таким образом, к моменту открытия данного агрегатного состояния наука располагала подробными сведениями о свойствах главным образом одного лишь стекла. И уже после глубокого изучения строения стекла стало возможным получение в лабораториях и на производстве новых видов аморфных тел, также названных стеклами.
Получить аморфное тело можно не из каждого вещества. Больше всего подходят для этой цели расплавы с высокой вязкостью, причем чем выше вязкость жидкости, тем выше вероятность получения из последней стекла. Условием образования аморфной массы является чрезвычайно быстрое охлаждение жидкости. При плавном охлаждении избыточная тепловая энергия уходит в окружающую среду поэтапно, что позволяет хаотическим молекулам жидкости выстроиться в кристаллическую структуру. В веществе возникает дальний порядок одновременно с возрастанием вязкости, и оно становится твердым телом.
Если же скорость оттока тепловой энергии высока, то вязкость вещества увеличивается задолго до того, как между молекулами установится дальний порядок. Структура охлажденного вещества по-прежнему остается неправильной или почти неправильной, тогда как вязкость резко отличается от таковой, свойственной жидкостям. Тело переходит в новое агрегатное состояние, аморфное.
Изобретаются новые стекла
Сегодня разработаны технологии получения различных видов аморфных веществ, в первую очередь настоящих стекол. Несмотря на низкую в сравнении с твердокристаллическими телами вязкость, аморфные вещества обладают массой выгодных преимуществ, которых полностью лишены первые. Во-первых, к числу неоспоримых достоинств стекол следует отнести отсутствие дефектов строения.
Строго упорядоченная структура кристалла в некоторых своих участках имеет неизбежные нарушения. Это т. н. отклонения (дефекты) во внутреннем строении. Они возникают при возникновении твердого тела, при внешних воздействиях на него и при обработке. Иногда такие дефекты оказываются очень серьезны. Аморфные тела свободны от внутренних дефектов, потому что их строение хаотическое, близкое к таковому у жидкостей. То есть атомы друг относительно друга не упорядочены, а потому отклонений в их системе быть не может.
Более того, стекла внутренне однородны, тогда как в кристаллах существуют определенные направления и оси, существование которых обусловлено наличием у молекул или атомов какой-либо предпочтительной ориентации. Из этих двух ценных качеств прямо следуют прочие достоинства. Стекла прозрачны для электромагнитного излучения во всех диапазонах, а потому применяются при производстве светопроводящих стекловолокон, кинескопов и т. д.
Эти вещества не пропускают электрический ток и могут использоваться в качестве изоляционных материалов. Стеклянные изоляторы устанавливаются на высоковольтных линиях электропередачи. Впрочем, нужно заметить, что обыкновенное стекло приобретает электропроводные свойства при нагревании. Наконец, аморфные материалы прочны, долговечны, химически стойки. Последнее их качество позволило широко использовать стеклянную посуду в лабораториях.
Сегодня аморфные вещества претерпели значительные изменения. Стеклосмазки никак не похожи на лабораторную посуду, но по внутреннему строению материал в обоих случаях одинаков. Помимо настоящих стекол и материалов на их основе, сегодня получают металлические стекла. Правильнее их называть аморфными металлическими сплавами (АМС). Ранее сообщалось, что вещество переходит в агрегатное состояние при быстром охлаждении, когда вязкость нарастает быстрее, чем успевает установиться кристаллический порядок.
Если простое стекло самостоятельно приобретает аморфную структуру при остывании на воздухе, то другие вещества и материалы приходится остужать искусственным путем, в специальных условиях. Точно таким же образом удается из вязкого расплава получать аморфные металлы. К сожалению, превратить в стекло чистый металл технически невозможно. Зато некоторые сплавы переходят в аморфное состояние при быстром охлаждении.
Скорость такого охлаждения чудовищно высока. Она достигает порядка 1 млн °С в секунду. Естественно, процесс длится считанные доли секунды, поскольку иначе бы конечная температура сплава упала ниже абсолютного нуля, а это невозможно. Изготовление АМС невероятно сложно, однако эти материалы привлекают своими замечательными качествами. Такие сплавы почти не имеют магнитных потерь, а потому применяются в производстве трансформаторов, записывающих головок видео- и аудиотехники.
