Максим Калашников - Хроники невозможного. Фактор «Х» для русского прорыва в будущее
С 1972 года такие же работы пошли и в СССР, в Государственном оптическом институте (ГОИ). Вернее, ГОИ выступил головной организацией, а вообще в программе задействовали шестнадцать научно-исследовательских институтов – кто-то работал по синтезу порошков, кто-то – по созданию способов давления и т. д. Но, забегая вперед, скажем, что работа успехом не увенчалась. К сожалению, в СССР шпинель с ожидаемыми свойствами создана не была.
Однако военным делом применение искусственной шпинели не исчерпывается. Шпинель нужна и для медицины будущего.
Почему, скажем, не пошел в хирургии сапфировый лазер? Почему не получился полноценный лазерный скальпель? Потому, что сапфир разрушается, не выдерживает высокой нагрузки. Из-за этого лазерные скальпели используют только в микрохирургии, в операциях с кровеносными сосудами. Для глубоких разрезов скальпель на рубиновом лазере не годится: рабочее тело может просто взорваться. Да и делать такие «лучевые скальпели» очень трудно: едва перекосишь оптическую ось сапфира – и все изделие идет насмарку.
Однако немецкий ученый Аккерман предложил: делать лазерные скальпели с использованием шпинели. Тогда они смогут выдерживать нагрузку почти в сотню раз большую. Осталось дело за малым: создать производство искусственной шпинели нужных качеств.
Но, что называется – легко сказать. Американцы, помучившись с этим делом с 1964 года, его потом надолго забросили. Методы горячего прессования или спекания шпинели оказались не настолько эффективными, чтобы получать изделия нужного качества и размера. Растили монокристалл, а он выходил не того качества. Шпинель крайне тугоплавка – она «тает» при температуре 2135 градусов. Для сравнения: жар для плавления стали – 1450–1520 °C.
Но Мастер не был бы Мастером, если бы не занялся бы и этой каверзной задачей, двинувшись своим путем. Он решил, что незачем заниматься монокристаллом шпинели, когда можно делать шпинель поликристаллическую. Но зато какую!
Впрочем, не будем забегать вперед, читатель.
Рождение «каменного» прорыва
Только-только выйдя на свободу в 1989 году, Виктор Иванович решил заняться искусственными драгоценными и полудрагоценными камнями. Изначально – из чисто ювелирных соображений.
В то время страна неудержимо и страшно впадала в агонию. Экономика шла вразнос. И вот после гибели Советского Союза Мастер покупает первые установки для производства бесцветных сапфиров – лейкосапфиров. Аппараты «Омега» для выращивания монокристаллов лейкосапфира, кстати, и ныне производит Луганск (http://omega-crystals.com/ru/). Делали их с прототипа: печей «Гном», разработанных в ГОИ. В свою очередь, выяснилось, что это были не очень удачные копии старых иностранных агрегатов, работающих на технологии Киропулоса.
Виктор Петрик действительно выкупил те установки, что были произведены по заказу Минобороны СССР, но после трагедии 1991 года оказались неоплаченными военными. Тогда десять аппаратов в 1992-м приобрел Мастер, и столько же – директор Института геологоразведки Виктор Рябков. Виктор Иванович долго мешкал, но потом поставил свои машины на заводе «Большевик». Но потом оба они свои «омеги» продали: они были уже неинтересны. Почему? Технология выращивания лейкосапфиров была уже давно устаревшей. Да и кристаллы на них получались плохого качества.
Нужно было двигаться дальше. Виктор Петрик делает личный заказ на военном заводе «Электромеханика» во Ржеве – на изготовление восьми машин продольно-горизонтального синтеза, разработанных гениальным ученым, член-корреспондентом РАН Хачатуром Багдасаровым.
Именно на установке Багдасарова В. Петрик впервые в мире вырастил гигантский рубин в молибденовом тигле. Дело в том, что синтез камней традиционными методами (например, методом Чохральского) имеет некооторые сильные ограничения. Например, невозможность равномерного распределения в кристалле, растущем из расплава, заданных примесей – в процессе формирования кристаллической решетки они просто вытесняются.
Это свойство положено в основу технологии очистки материалов методом зонной перекристализации градиентом температур. Так получают сверхчистый алюминий, что называется – девять девяток. То же происходит и при очистке лейкосапфира: вся грязь концентрируется в «пятке» выращиваемого кристалла. Ее остается только отрезать.
А зачем вообще аносить в кристалл какие-то примеси? Да затем, что от них зависит многое, в том числе – и окраска камня. Например, бесцветный корунд (лейкосапфир) с вндренными в решетку атомами титана будет иметь голубой цвет, а примеси хрома придадут ему ярко-красную окраску, и мы получим драгоценный камень под названием «рубин». Еще одна трудность – взаимодействие при высоких температурах хрома с материалом тигля. А это, как правило, вольфрам.
– В свое время профессор Мусатов из ГОИ пробовал вырастить гигантский рубин для лазеров. Ради этого невероятными усилиями был создан семикилограммовый иридиевый тигель. Но хром взаимодействует даже с иридием, – рассказывает Виктор Иванович. – Впервые в истории искусственный рубин синтезировал Вернель, в конце девятнадцатого века. Для этого он разработал бестигельный метод, при котором шихта плавится прямо в пламени водородной горелки.
Нам же удалось вырастить рубин в молибденовой «лодке». Чем же был защищен молибден? По методу горизонтального синтеза Хачатура Багдасарова: «лодка» с шихтой входит в зону нагрева. В носик «лодки» введен маленький природный рубин-затравка. Далее расплав, охлаждаясь, начинает кристаллизоваться вокруг той самой затравки.
Что сделал я? Сначала вырастил лейкосапфир. Потом снова размягчил его и насыпал сверху смесь оксидов хрома и железа. Ионы хрома, не соприкасаясь со стенками тигля, диффундируют в кристалл, занимают в решетке свободные от алюминия вакансии. Так получился рубин…
Следующей целью стала шпинель. Цветом такая же, как и рубин, но с фиолетовым оттенком. Потому ее поэтично называют «рубином цвета запекшейся голубиной крови». Этот оттенок придает шпинели содержащийся в ней магний.
– Засев за литературу, я обнаружил работу немца, доктора Аккермана, где он говорил о том, что лазерный скальпель не на рубине, а на шпинели – это настоящий прорыв в лазерной хирургии, – продолжает Мастер. – Аккерман уповал на природную, монокристаллическую шпинель. Прочитав такое, решаю: переключусь с ювелирной цели на другую, займусь-ка конструкционной шпинелью!
И тут Виктор Иванович приходит к выводу: для этого потребна на монокристаллическая, а поликристаллическая шпинель. Потому что она по части «трещиноватости» в 14 с половиной раз более стойка, чем монокристалл. Поясним: монокристалл – это действительно один, сплошной кристалл. Поликристалл – это множество «кубиков», отдельных кристаллов, спаянных в одно «тело». Эти кристаллики расположены упорядоченно, и если один из них трескается, то трещина не выходит за его границы. А уж если трескается монокристалл, то раскалывается сразу по всей протяженности. Особенно при перегреве кристалла такое случается, например с сапфирами.
Но надо было синтезировать поликристаллическую шпинель. Поиски в литературе показали, что ученые в США и у нас давно пытаются это сделать. Для чего? Для тех самых прозрачных ракетных обтекателей, проницаемых и для радиоволн, и для инфракрасных лучей, и для ультрафиолета. Но в тот момент Мастер думал об оружии в последнюю очередь. Приоритетом были именно скальпели для лазерной хирургии.
Как же добиться желаемого, если здесь потерпели неудачу и советские, и американские исследователи? Мастер приходит к выводу: они пытались синтезировать поликристаллическую шпинель из сульфатов магния и алюминия. Для синтеза пробовали подобрать температуры, давления и всевозможные добавки.
Мастер сам заказывает специальные прессы на Армавирском заводе испытательных машин: умопомрачающе дорогие. Ведь их пресс-формы должны быть сделаны методом порошковой металлургии из циркония и молибдена. Никакой другой металл просто не выдержит крайне высоких, рабочих температур и давления, просто «поплывет». Но эти сложные прессы, способные долго и понемногу, повинуясь программе, наращивать давление, ему понадобились несколько в ином процессе, нежели тот, что пробовали использовать в США и СССР.
В. Петрик применил для получения поликристаллической шпинели тот самый золь-гель метод, что он использовал еще в исправительной колонии для того, чтобы сделать опал. Он растворил в изопропиловом спирте алюминий: варите в спирте стружку. В другой колбе Мастер растворил магний. Затем эти растворы сливались в нужном процентом соотношении: 60 на 40. А потом начиналось выпаривание. Так что никаких тайн тут не было и нет. Секрет – в добавляемом в процесс ингибиторе-замедлителе. Он приостанавливает рост частиц. И получаются наноразмерные частички.
