Николай Жаворонков - Создано человеком
И все же "семейство" редких все еще велико. К нему относятся: литий, рубидий, цезий, бериллий, галлий, индий, таллий, германий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, селен, теллур, рений, радий, актиний, протактиний, а также благородные газы.
Вот какой солидный список. Его бы весь заставить потрудиться на нужды народного хозяйства!
Значительная часть группы редких элементов, так называемые редкоземельные элементы - лантан, лантаноиды и близкие к ним по положению в периодической системе элементов, по свойствам, характеру образуемых соединений и геохимическим признакам скандий и итрпй - все они относятся к переходным металлам с достраивающимися электронными оболочками. Это определяет не только их свойства в металлическом состоянии, но и свойства образуемых ими соединений, в частности, соединений с неметаллами: водородом, бором, углеродом, азотом, кислородом, кремнием и серой.
Именно возможности широкого варьирования состава соединений редкоземельных металлов с неметаллами обеспечивает разнообразие физических и химических свойств, полученных на их базе веществ и материалов с заранее заданными свойствами (электрическими, магнитными, оптическими, механическими и химическими) для самых различных областей новой техники. Так что стабильный повышенный интерес к редким элементам вполне объясним.
Может ли, скажем, ту же космонавтику, металлургию или физику твердого тела оставить "равнодушными?" такое свойство редких элементов, как высокая термическая устойчивость? А ведь она у них, ч го называется, суперсупер. Гафний, ниобий, тантал и рений, например, плавятся при температуре свыше 2 тысяч градусов Цельсия.
Высокой огнеупорностью характеризуются их окислы, а температура плавления карбидов этих же элементов превышает 4 тысячи градусов. Но наибольшая тугоплавкость все же у смешанного карбида титана и гафния. Он плавится при 4125 градусах Цельсия.
Или другое достоинство редких элементов - их химическая инертность. Такое качество просто неоценимо в экстремальных условиях. Это на их основе создают специальные огнеупорные керамические материалы, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы. Они с успехом применяются и в качестве легирующих добавок при производстве специальных сталей, многократно повышая их механические и термические свойства.
Удивительно ли, что в последние три десятилетия исследования в этой области химии стали развиваться особенно интенсивно? То срабатывают мощнейшие стимулы развития науки - запросы и требования техники.
И отмахнуться, отгородиться от них невозможно. Иначе неумолимый научно-технический прогресс просто отбросит с пути замешкавшуюся область изысканий, найдя поддержку и опору в других близких областях. Именно поэтому создание новых материалов, обладающих такими свойствами и такими качествами, в которых отечественная промышленность может нуждаться, скажем, через два, а то и три десятилетия, дело уже сегодняшнего дня.
Не подумай, к примеру, отечественная химия и физика твердого тела о перспективных потребностях ультразвуковой, полупроводниковой техники, не создай заранее ее материальной, вещественной основы в виде ферритов, сегнетоэлектриков, диэлектриков, могла ли сегодня развиваться эта отрасль столь успешно?
Или взять хотя бы ту же микроэлектронику, удивительные возможности которой даже характеризуют с помощью химического термина - катализатор технического прогресса?
И это действительно так. Искусственный интеллект, например, без которого немыслима современная роботизация. - ее детище, многочисленные автоматические системы (управления, проектирования, вычисления, обучения) - ее епархия. А создание космических аппаратов, заводов-автоматов, гибких производств и т. д. и т. п.?
Все это - владения микроэлектроники. А вот ее собственные силы зависят всего от двух слагаемых - сверхчистых кристаллов и особочистых металлов. А они обязаны своим существованием химии. Чем совершеннее, миниатюрнее, точнее микроэлектронные приборы, тем строже, суровее требования к чистоте кристаллов и металлов, в них используемых. И хотя семейство полупроводниковых материалов год от года расширяется, основными среди них, по крайней мере, до конца столетия, останутся, вероятней всего, два германий и кремний.
К последнему у отечественной микроэлектроники особое пристрастие. А это значит, что химии надлежало в свое время не просто получить ультрачистый кремний, что само по себе дело не легкое, а поставить его производство на промышленный поток.
Сколь успешно мои коллеги, работающие в области полупроводниковых материалов, смогли это сделать, можно судить по всем нам известному факту: с конца 50-х годов громоздкие ламповые приемники из наших домов стали постепенно исчезать. Их заменили компактные, легкие, надежные полупроводниковые аппараты.
Но, как говорится, лиха беда - начало... И очень скоро рукотворная схема приемников и телевизоров достигла предела плотности, так что дальнейшая судьба оказалась предрешенной: на смену ей пришла так называемая интегральная схема. Но и здесь не обойтись без того же ультрачистого кристалла. Только теперь степень "ультра" надлежит еще больше увеличить, потому что все в том же неизменном кристалле кремния необходимо совместить множество элементов самого различного назначения. Как же это сделать?
Да очень просто: распределяя заданным образом примеси, соединяя тончайшими слоями проводника, нанесенными на поверхность кристалла, отдельные элементы.
Вот и выходит, что главные проблемы совершенствования микроэлектроники сводятся, если не на все сто, то уж на девяносто процентов, наверняка к проблемам химическим, к созданию фантастически чистых кристаллов.
И, разумеется, проблемам сохранения этой чистоты в процессе производства.
Мне не единожды доводилось держать в руках такую чудо-пластинку. И каждый раз, когда коллеги с химикометаллургических заводов предлагали ею полюбоваться, с удивлением думал: как же на такой тонкой, почти невесомой "плашечке" удается вместить информацию чуть ли не целой ЭВМ? И хотя прекрасно знаю, что приповерхностная часть этого супертвердого и суперчистого кристалла прекрасно выдержит все сложнейшие этапы многостадийного формирования лабиринтных схем микроэлектроники, поверить в это все же трудно.
Впрочем, химия давно и успешно работает над самыми разнообразными способами упрочнения поверхностного слоя. Особенно металлов. Сделать это можно, например, путем наклепа. Такой способ гарантирует увеличение рабочего срока конструкционного материала, в состав которого входит металл, в семь, а то и в десять раз!
Впрочем, химия, как никакая другая наука, способна предвосхищать грядущие потребности НТР. Так, например, случилось с созданием полимерных композиционных материалов.
Дело в том, что та же научно-техническая революция первоначально забраковала по многим параметрам "чистые" полимеры. Забраковала, хотя они, по сравнению с теми же металлами, обладали и целым рядом достоинств пластичностью, коррозионной стойкостью, легкостью.
А вот механические их свойства оставляли желать лучшего. Прочность, упругость, ползучесть, ударная вязкость полимеров не выдерживали конкуренции с металлами.
И тогда были созданы полимерные композиты.
Идея вводить в полимеры различные наполнители, чтобы придать им новые свойства, появилась еще в конце прошлого века. А первым наполненным полимером стала резина, вулканизованный каучук, наполненный сажей. В наши дни их целое семейство. Слоистые пластики, пресс-порошки, древесностружечные плиты, многослойная фанера, стеклопластики. Изжить основной недостаток полимеров - малую прочность удалось, например, благодаря их усилению коротенькими, не более 2 миллиметров длины, стекловолокнами. Сорок процентов такого наполнителя - ц прочность материала возрастала в 8 раз!
Но уже в самом начале работ по созданию композитов, ученым было очевидно - это не предел. Если, скажем, армировать пластики волокнами, полученными из монокристаллов бора, углерода и полимеров на основе ароматических смол, то можно добиться действительно уникальных композитов.
Так, собственно, и произошло в дальнейшем. Сегодня многие композиты на основе полимеров превосходят сталь по прочности и легче самых легких сплавов.
В качестве наполнителя полимерных композитов использовали и газ. Первый такой композит - всем известный пенопласт. Газонаполненные полимеры удивительно легки, обладают превосходными теплоизоляционным.!
свойствами, но, увы. к сожалению, весьма непрочны.
Правда, в дальнейшем исследователям удалось получить и пенопласты повышенной прочности, способные выдерживать значительные нагрузки. Они сейчас тоже нашли довольно широкое распространение.
Вообще нужно сказать, что комбинация неорганических и органических компонентов открывает в самых ра ь личных отраслях народного хозяйства невиданные перспективы. Они сделали реальностью легкие коррозионностойкие материалы, проводники нового типа (металлопласты), капсулированные удобрения, покрытые пленкой, способной растворяться с заданной скоростью.
