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?