Наноструктурное состояние — это так называемое метастабильное состояние. Пояснить это можно следующим образом. В разных условиях материал предпочитает находиться в различных состояниях: для каждого условия — свое состояние. Так, вода выше 100 градусов должна быть паром. Это ее нормальное, стабильное состояние. Она и закипает. Но можно воду — очень чистую воду, не содержащую ни пузырьков газа, ни пылинок, ни растворенной соли (всего того, что может быть центрами закипания), — нагреть до температуры и выше 100 градусов. Вода бы закипела, но она не знает, откуда начать. Но стоит бросить в нее крупинку, вода «взорвется», мгновенно превратится в пар. Перегретая жидкость (в нашем случае — вода) — это нестабильное состояние. Метастабильное состояние в чем-то похоже на стабильное — оно относительно устойчиво. Одновременно оно похоже и на нестабильное — также относительно. Дело только в степени этой относительности. Как правило, мы считаем мета-стабильные состояния столь же устойчивыми, сколь и стабильные. Твердое тело — а именно для него не только возможны, но и характерны метастабильные состояния — может находиться в различных состояниях. Замечательный тому пример — углерод.
Мы хорошо знаем уголь, графит и алмаз. Но благодаря нанотехнологиям мы узнали и другие состояния углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, графен. Все эти состояния устойчивы — но в том смысле, о котором речь шла выше. Материаловеды и технологи знают, что металлы и сплавы могут находиться в различных состояниях, в зависимости от условий, переходящих друг в друга. Для каждого набора условий: температуры, давления и других — свое состояние. Но твердое тело на то и твердое, что переходы между состояниями затруднены. Состояние, забравшееся не в свои условия, и есть состояние метастабильное. Оно устойчиво, но все же предпочтительнее другое состояние. И если постараться, то в этих условиях будет реализовано именно оно.
Так вот, повторим: наноструктурные состояния часто и есть состояния метастабильные. Приведем тому пример. Для корпусов ядерных реакторов нужен металл, не разрушающийся от потока постоянно бомбардирующих его, вылетающих из активной зоны реактора, нейтронов. Это достигается так. Сталь наноструктурируют: она состоит из зерен наноразмера — около 3 нм в диаметре. И дефекты (а это дефекты кристаллической решетки: здесь что-то лишнее, а в другом месте этого не хватает), образующиеся от бомбардирующих нейтронов, не могут покинуть границы этого маленького, в полтора десятка атомов, зерна. Из-за этого через какое-то время дефекты, двигающиеся по кристаллической решетке [19], но неспособные покинуть область пространства, ограниченного частицей, обязательно встретятся. И дефекты компенсируют друг друга. Кристаллическая решетка станет такой же, какой она была до ее поломки пролетевшим нейтроном.
Для нас важно здесь вот что. Наноструктурированная сталь — это не сталь с большими зернами. Каждое зерно — малюсенькое. Такое состояние метастабильно. В естественном состоянии сталь устроена иначе.
Мы можем быть уверены, что в тех условиях, которые мы имеем, между стабильным и метастабильным состояниями нет никакой практической разницы. Да и не «вскипит» материал, как перегретая вода, — не тот случай. Да — не вскипит. И все же…
1912 год. Экспедиция Р. Скотта гибнет при возвращении с Южного полюса. Увы, норвежец Р. Амундсен и его экспедиция обогнали экспедицию Скотта на 33 дня; англичанин Скотт, покорив Южный полюс, увидел там уже установленный национальный флаг Норвегии. После этого горького разочарования беды обрушились на экспедицию. Гангрена. Температура минус 35. Они не смогли вернуться — не дошли совсем немного. Топливо закончилось 23 марта, пищи оставалось на два дня. А до склада, где было все нужное, было меньше 17 километров. Скотт умер последним. Последняя запись в дневнике Скотта датирована 29 марта 1912 г.
«Закончилось топливо» — это одна из важнейших причин трагедии. Именно топливо — то, что позволяет выжить при таком морозе. А топлива не хватило лишь потому, что оно было утеряно, просочилось из баллонов сквозь запаянные оловом швы. Скотт не знал, не мог знать, что на таком холоде с оловом происходит, казалось бы, неожиданное.
Привычное нам олово в обычных условиях — белый металл, пластичный и ковкий. При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не может усомниться в его принадлежности к классу металлов. Но при температуре ниже всего 13,2°C (чуть ниже комнатной температуры!) устойчивое состояние олова иное. Начиная с этой температуры, в структуре олова начинается перестройка. Белое олово превращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура, тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 39°C.
Плотность серого олова заметно меньше, чем белого. Видимый результат превращения белого олова в серое называют «оловянной чумой» — она проявляется в виде серых пятен на белом олове, чем и напоминает чуму. Кроме того, чумой этот процесс назван потому, что для начала процесса превращения белого олова в серое достаточно незначительного количества «затравки» — кристаллов серого олова. Словно заразная болезнь, серое олово расползается, заражая здоровый металл.
Итак, давайте не забывать, что наноструктурированные материалы метастабильны. И хорошо заранее тщательно проверить, как они ведут себя в различных условиях, прежде чем в условиях сильных магнитных полей или космического пространства наш материал неожиданно для нас заболеет какой-нибудь наноструктурной ветрянкой или метастабильной корью.
Но проверять надо не только материалы для космических аппаратов или термоядерных реакторов — токамаков (именно там существуют такие сильные магнитные поля, превышающие магнитные поля Солнца). Наноструктурные материалы будут повсюду: в автомобильных и железнодорожных мостах, подверженных постоянной вибрации, в корпусах самолетов, в которые попадают сильные электрические разряды — молнии во время грозы, в контактных сетях скоростных электропоездов, подверженных длительному воздействию постоянного тока — текущего в одну сторону, в отличие от привычного нам переменного. И главное, чего мы хотим от этих материалов, — чтобы он не подвел. А если материал новый — такой риск нельзя сбрасывать со счетов.
Риск того, что достаточно проверенный новый материал может в неординарных условиях повести себя не так, как мы того ожидаем, имеет своего «тезку». Речь идет о риске нештатного поведения нового материала в стандартных условиях, чего мы тоже от него не ожидаем, но по иным основаниям — ложной уверенности, необоснованного доверия к качеству, предъявляемому наиболее высокотехнологичными секторами экономики.
При создании космических аппаратов применяют новый наноматериал — кермет. Зерна металла, размером до 5 нм, окруженные такими же зернами другого металла или его окисла (а чтобы такое получилось, металлов должно быть несколько), спекают под давлением. Получается композит — много металлов вперемешку. Почему металлы разные? Очень просто. Нанопорошок получают размолом металла специальными мельницами (есть и другие способы, но сейчас нам это не важно). При размоле частицы становятся все меньше: начинают с размера несколько микрон и доходят до наноразмера. Однако начиная с диаметра частиц около 25 нм процесс помола сталкивается с препятствием. Отдельные, более мелкие частицы предпочитают слипаться — между ними образуются перемычки, и наноструктура нарушается. А нам нужны частицы от 10 до 5 нм. Именно они обладают нужными нам свойствами. Если соседние частицы принадлежат разным металлам, такого слипания не происходит, как минимум быстро.
19
Дефекты могут двигаться по кристаллической решетке так же или почти так же, как в ней движется электрон проводимости. Для того чтобы дефект двигался, не нужно, чтобы двигался атом решетки: атомы передают дефекты «из рук в руки», как электроны.