 |
Алмазные этюды: выбор Цели
|
|
|
|
Заинтересовавшись алмазной темой, "эвриканцы" начали более тесное знакомство с этим удивительным кристаллом, прямым родственником графита и печной сажи, с его свойствами, историей открытия и применения в технике и т.д.
Так, благодаря особому расположению атомов углерода в кристаллической решетке, алмаз является самым твердым веществом. В то же время он бессилен против мягкого железа. При нагревании железо способно в больших количествах растворять в себе углерод. Вот и получается, что нагреваясь в процессе резания, оно "съедает" самый твердый в мире кристалл.
Кстати, с помощью этого простого химического эффекта советские ученые решили труднейшую проблему механической обработки алмазов (задача N25). В соответствии с предложенным ими термохимическим способом размерной обработки, к алмазу прикладывается тонкая железная пластинка, нагретая до 1000°C. Она растворяет в себе углерод и погружается вглубь алмаза со скоростью до 0,3 мм в час. Меняя форму пластинки, из алмазов можно изготавливать сложнейшие детали, например, шестеренки, которые невозможно изготовить по-другому. Обычный раскаленный гвоздь - вместо многолетнего изнурительного труда древних ювелиров, гравировавших надписи на алмазах по приказу владык!..
Наше рвение в поиске конкретной проблемы на применение алмазов в технике сильно сдерживалось отсутствием таковых у нас. Оставалось одно - попытаться самостоятельно их сделать! Так возникла мысль заняться сложнейшей научно-технической проблемой синтеза алмазов. Цель ясна. С чего начинать? Прежде всего пришлось снова садиться за книги и внимательно изучать историю попыток синтеза алмазов.
Первые искусственные алмазы были получены исследователями в Швеции в 1953 году, а затем, независимо, в лаборатории фирмы "Дженерал электрик" в 1954 году. Оба способа схожи.
|
|
|
Так, согласно патенту США N 2 947 610, графит в смеси с катализатором из железа, марганца и пятиокиси ванадия в течении двух минут сжимают в специальной камере до давления 95 тыс. атмосфер и нагревают электрическим током до температуры 1700°С. За это время углерод сначала растворяется в катализаторе, а затем кристаллизуется в виде мелких алмазов.
Такой способ до наших дней является основным в промышленности. Несмотря на кажущуюся простоту, он требует дорогостоящего оборудования, и получаемые алмазы почти не уступают в цене природным техническим.
В начале 60-х годов советские ученые Б.Дерягин и Б.Спицын и, независимо, В.Эверсол (США) предложили принципиально новый способ синтеза, не требующий огромных давлений. Суть его в том, что углеродсодержащий газ (обычный метан) в смеси с водородом и кислородом разлагают при атмосферном или пониженном давлении, и атомы углерода осаждаются на поверхности мелких затравочных кристаллов алмаза, которые играют роль программы, вынуждающей атомы принимать структуру алмаза.
Этим способом получают мелкие алмазы и поликристаллические пленки. Однако, он имеет низкую скорость синтеза и требуют использования затравочных кристаллов алмаза.
В 1961 году американские исследователи П.Де-Карли и Дж.Джеймисон впервые сумели осуществить прямое превращение графита в алмаз. Вместо дорогостоящей аппаратуры исследователи использовали мощное взрывчатое вещество, одновременно являющееся источником тепла и еще больших, чем при каталитическом способе, давлений (см. рис.27). Графит в течение одной микросекунды сжимался ударной волной до 300000 атмосфер и нагревался до 1200°C; образовывались очень мелкие кристаллики алмазов.
Несмотря на простоту и дешевизну, этот способ все еще не получил распространения. Видимо, причиной тому является обратное превращение алмаза в графит при уменьшении давления. Его можно предотвратить, если образовавшиеся алмазы очень быстро охлаждать сразу после прохождения ударной волны, но осуществить это в условиях взрывной камеры крайне сложно.
|
|
|
С начала 70-х годов развивается еще одно направление синтеза, основанное на прямом переходе графит-алмаз. Ускоритель в глубоком вакууме бомбардирует мишень высокоэнергетическими ионами углерода. В каждой точке столкновения с мишенью возникают местные давления в сотни тысяч атмосфер и температуры в несколько тысяч градусов: атомы углерода кристаллизуются в виде алмазной пленки толщиной в десятки нанометров.
Какое же направление выбрать? Можно попытаться создать более простое оборудование для синтеза. Но значительно интересней найти новое направление!
Обсудив ситуацию, мы уточнили творческую Цель - разработать новый способ и простое устройство для синтеза алмазов. Но не завиральная ли это идея?! Возможно ли это? Существуют ли какие-либо "дыры" в теории и практике синтеза алмазов, которые бы помогли найти новое направление синтеза? И мы начали тщательно сравнивать физико-химические условия синтеза известных способов с общепринятой теорией образования природных алмазов, согласно которой алмазы образуются в верхней мантии Земли на глубинах в несколько сотен километров под действием огромных давлений и температур. Никакого противоречия пока нет!
Но вот мы встретили первую "дыру": ученые института геологии и геофизики СО АН СССР, изучая гранатовые пластинки из Северного Казахстана, обнаружили в них мельчайшие кристаллики алмазов. А гранаты образуются в земной коре, то есть на значительно меньших глубинах и в менее жестких условиях.
Вторую солидную "дыру" мы обнаружили... в собрании сочинений И.А.Ефремова. Комментируя историю своего знаменитого рассказа "Алмазная труба", он упомянул о находках внутри некоторых якутских алмазов тонких веточек растений и других органических веществ! Какое уж тут давление и температура?! Наше внимание привлек тот факт, что из поля зрения исследователей алмазного синтеза выпали условия, возникающие при образовании алмазоносных трубок взрыва, или кимберлитовых трубок, которым в теории отводится роль "подземного лифта", доставляющего алмазы из глубины недр к поверхности.
|
|
|
Типичная трубка представляет собой узкое вулканообразное жерло, уходящее на глубину до одного километра и заполненное алмазоносной породой - кимберлитом. Такие трубки возникали в результате взрывного прорыва земной коры кимберлитовой магмой. При этом на алмазоносные породы действовало высокое статическое давление скопившейся магмы, затем сильнейшая ударная волна, возникшая в результате взрыва. А завершался этот ад резким падением температуры и давления, вызванным расширением прорвавшейся к поверхности породы.
До сих пор исследователи пытались применить для синтеза, так сказать, отдельные "осколки" этого грандиозного процесса (статические и динамические давления). А что если смоделировать полные условия, сопутствующие образованию алмазной трубы, и таким путем попытаться осуществить синтез алмазов?!
Еще раз скорректировали Цель: создать простую установку, моделирующую природные условия алмазной трубы, при которых, возможно (?), могут быть получены алмазы; во всяком случае, это не противоречит известному о превращениях углерода.
Шансов на успех почти нет. Но Цель "учебная", и даже создание работающей "искусственной алмазной трубы" можно будет считать значительным успехом на пути к ней...
Итак, творческая Цель ясна, необходимо выявить творческие задачи, решение которых позволит ее достигнуть. Требуется взрыв! И "эвриканцы" с энтузиазмом принялись делиться своими познаниями в этой области. Но оглядевшись, быстро охладели. Мда, штаб-квартира "Эврики" - читальный зал библиотеки - мало подходила для подобных экспериментов... Но другого нет. Кроме того, "ад" должен быть малогабаритным, т.е. вся установка должна помещаться на письменном столе.
* * *
Задача А-1:
Газообразные продукты взрыва, распространяясь с огромной скоростью, создают ударную волну со сверхвысокими давлениями. В случае разрушения взрывная камера превратится в бомбу... Требуется "ручной" взрыв, который за ее пределами должен немедленно терять свою силу. Давление в малогабаритной камере после взрыва должно резко снижаться. Обычные взрывчатые вещества не подходят для этих целей. Как быть?
|
|
|
Кроме мощной ударной волны в камере требуется создать высокое статическое давление. Простейший способ - приложить усилие к телу с очень малой площадью опоры. Например, если швейную иглу с диаметром острия в 0,01 мм прижать к поверхности с усилием всего 100гр, то давление под острием теоретически могло бы достигнуть 120 тыс. атмосфер! Правда, объем, где развивалось бы высокое давление, был бы микроскопически мал. Объем камеры для синтеза алмазов должен быть в миллиард раз больше - кубические сантиметры!
* * *
Задача А-2:
Высокие статические давления, необходимые для синтеза алмазов, создаются могучими гидравлическими прессами с усилиями в тысячи и десятки тысяч тонн, высотой с дом в несколько этажей. Требуется простой способ получения высоких статических давлений в малогабаритной камере. Как быть?
Камера, в которой действует высокое давление, должна быть очень прочной. Обычно ее изготавливают из высокопрочных сталей и сверхпрочного карбида вольфрама. Мы же, в лучшем случае, можем использовать обычные конструкционные стали, имеющие значительно меньшую прочность.
Отсутствие высокопрочных материалов следует восполнить какой-нибудь "хитростью". Например, известно, что прочность толстого стального стержня примерно в пять раз меньше прочности тонкой проволоки из того же материала: технология изготовления проволоки обеспечивает значительно меньшее количество дефектов кристаллической решетки на единицу сечения. Образно говоря, атомы металла в тонком слое работают дружно, а в большой толпе присутствует много лентяев.
* * *
Задача А-3:
Расчеты показывают, что при прочих равных условиях толстостенная камера способна выдержать большее давление в сравнении с тонкостенной. Но последняя обладает более высокой удельной прочностью. Если бы толстостенной камере удалось придать прочностные свойства тонкостенной, то давление в ней можно было бы увеличить в несколько раз. Как повысить ее рабочее давление?
Сформулировав третью задачу, все пришли к единодушному мнению, что их решения вполне достаточно для разработки проекта установки "Искусственная алмазная труба". Как жестоко мы ошибались. Дальнейшие события в пух и прах разметали эти радужные представления...
ГЛАВА 5. СТРЕЛЫ МЕЧТЫ
|
|
|
Между первым интересом к конкретной области науки или техники и возникновением стремления самостоятельно внести в нее что-либо новое пролегает огромная дистанция. Множество людей до и после А.Л.Чижевского смотрело в телескоп, и... осталось астрономами-любителями, так и не сделав подобно ему решающего шага. Еще большее число людей совершало и совершает экскурсии в подводный мир, и... не бросилось при этом "очертя голову навстречу неизведанному", подобно Кусто, осталось бесчисленной армией любителей подводного плавания. Почему? Что им помешало? Что способно превратить одиночную искру первого интереса в могучий костер творческой Цели?
Попытаемся найти ответ на эти вопросы, рассмотрев четвертый и пятый этапы становления творческой личности.
|
|
|
