25
Но только в нашем вке стали раскрыться его секреты.
Хорошо известны два «плотных» состояния вещества: жидкое и кристалическое. Их внешней непохожейности соответствует не менее серbezное разлице вatomном строении. В жидкости atoms расположены друг относительно друга более или менее случайно, а в кристалле их расположение строго упорядочено. Однакоые atoms расположены наподобные узлов пространственной решетки, которая называется кристалической. Разные вещества имеют свои характеристики формы кристалических решеток. На рисунке 1 изображен один из возможных вариантов.
Если кристалл нагреть выше точки плавления, он расплавится и превращается в жидкость. Если расплав охладить ниже точки плавления — он вовь закристаллизуется. При этом atoms как будто «чувствуют» приближение критического момента, когда надо перестроиться и из жидкости бесплатного бесплатного организаовать» строя кристалл. Все проискодит так, словно дана команда «становись!» и atoms-солдаты по одному занимают свои места, выстраиваясь в определенном порядке. И как бы «исполнительны» ни были atoms, на «построение» все-tаки требуется какое-то время. Самый известный пример кристализации — образование льда из воды при 0 °С. Точно так же ведут себя при своих температурах плавления все металлы, их сплавы и тышчи других веществ. Но иногда события развиваются по необычному сценарию.
«Жизнь» atomов — это постоянное движение. Но их подвижность быстро падает с понжением температуры. Этот обстоятельством можно воспользоваться. Представим себе, что какой-то многогруппой монстр схватил все atoms жидкости и удерживает их на месте, пока расплав не охладится до температуры ниже температуры плавления, и лишь после этого отпускает. тогда перестроится в кристалл атомам уже не удался. Они так и остаются в беспорядке. Сама жидкость при этом загустет и станет твердой. Такой материал и называется стеклом.*)
Держать atoms, конечно, нереально. Но это можно быстро охладить жидкость. Тогда при высоких темперарах (температура плавления) atoms перестроются не успеют, а при низких — будет уже поздно. Вспомните одну из детских игра. В ней все играющие должны остаться в положении, в котором их застала команда «замри». Иногда оно бывают неестественным. Резкое охлаждение — приказ «замереть» для atoms. В отличие от людей atoms могут находиться в «неудобных» положениях годами, весами, тысячелетями. И если играющие охивляют команда «отомри», то atoms «пробуждают к жизни» повторным нагревом.
Но что значит «быстро охладить»? Для каждого вещества ответ свой. Для смеси соды и песка «быстро» означает уменьшение температуры на доли градуса в секунду. Такая скорость охлаждения достигается при естественном отсутствии расплавленной массы. Именно поэтому и сумели наши данные предки открыть общие стекло. А вот для металлических сплавов «быстро» — это действительно быстро. Оценки показали: чтобы не дать жидкому металлическому расплаву закристализовать, его надо охладать со скоростью миллион градусов. Разумеется, температура горячого расплава не миллион градусов. Такая скорость понжения температурыозначает, что охладить расплав, скажем, от 2000 °C до 1000 °C надо за 10⁻³ с, то есть за одну миллисекунду. Такова цена «остановки» atomов.
Сама идея быстро охлаждения относить не нова. Под именем закалки она была известна с древности. Свидетельствует великий Гомер: «Как погружает кузнец раскаленный топориль секриру в воду холодную, иащит с клокотным железо — крепче железо бывают, в огне и воде зака-
*) Стекла относится к более общей группе аморфных веществ — так называются твердые тела, не имеющие кристалической решетки.
26
ляясь». Однако традиционные способы закалки обеспечивают скорость охлаждения только 100—1000 градусов в секунду. Для наших целей этого списком мало.
Оставим на время металл и задимся вопросом: как побистре охладить горячий чай? Проше всего — напить его из чашки в блюдце. Тепло отделется в основном окружающей воздуха. Увеличивая поверхность соприкосовения с воздуха, мы увеличиваем скорость охлаждения. Чем более плоское мы выберем, тем быстрее остынет чай (конечно, при его неизменном объеме!). Наконец, можно просто вылить чай на стол. В результате растекания жидкости площадь ее поверхности еще больше возрастет. Правда, для чапития этот прием мы рекомендувать не станем, затем в быстро оставшихся моменте не сомневаться.
Итак, первый вывод: для увеличения скорости охлаждения следует максимально увеличить площадь поверхности контакта с теплотводящей средой, в данном случае — с воздуха.
Но воздуха отводит тепло сравнительно медленно. Хорошими проводниками тепло по справедливости считаются металлы, а из них в первую очередь — медь. В этом мы убеждаемся каждый раз, когда прикасаемся к металлическому покрытию, — оно всегда какжет холодным, так как быстро отводит тепло человека.
Отсюда следует еще одна рекомендация: чай следует разливать не столе, а на широком металлическом (желательно медном) подносе. Тогда он остынет почти сразу же.
На этом закончим нашу не слишком изисканную «чайную церемония». Она подсказала конкретный рецепт. Для быстро охлаждения жидкого металла надо создать очень тонкий его слой на медной поверхности (обычно ее называют подложкой).
Первые удачные опыты по сверхбыстром охлаждению металлической жидкости были произведены в 1960 году. Капля расплавленного металла выступила на подложку из меди. (В ранних работах для этого применялась энергия пороховых газов обычногоистолета.) При ударе о медный экран капля расплющивается, моментально охлаждается (скорость охлаждения достигает град/c), и с медного «трамплина» в воздух взмывает крокотная лепешка твердого аморфного металла (рисунок 2). В самых тонких местах ее толщина оказывается равной 0,0001 мм.
Существует еще несколько разновидностей метода «расплюшивания капли». Главный их недостаток — малая производительность. Да и аморфный металл получается в виде мелкого порошка, а это не всегда удобно для практического использования. Но применение тех же принципов охлаждения позволяет создать способы производства непрерывной ленты из аморфного металла. Вот один из возможных вариантов. На врашающее медный диск льется тонкая струя расплавленного металла. Соприкасаясь с диском, она охлаждается, и с диска сбрасывается уже заставящая аморфная лента (рисунок 3).
Внешне металлическое стекло не имеет ничего общего с обычным производством стеклом и ничего не отличается от обычного (кристаллического) металла. Но это — только внешне. Необычному для комнатных температур беспорядочному расположениюатомов соответствует и необычные свойства. Аморфный металл чрезвычайно тверд и прочен. Изготовленные из него магнитные головки во много раз преосходят по сроку службы кристаллических «собрать». Да и по чистоте магнитным характеристикам применяются на их стороне. Уже сегодня в разных странах начат выпуск магнитных головок из металлического стекла для видео- и звуковых магнитногоонов, памяти компьютеров.
Высокая творость аморфных металлов подсказала и другую область их применения. Црезвычайно изготовлено из них режима инструменты.
(Окончание см. на с. 39.)