Подобно тому, как 32 буквы алфавита или 7 нотных знаков создают все многообразие языка и музыки, так и 104 элемента таблицы Менделеева позволяют получить неисчислимое множество материалов с разнообразными свойствами. Во все времена технический прогресс всегда был и будет связан с материалами. Во многом благодаря этому стали возможны достижения человечества в освоении космоса, развитии атомной энергетики, радиоэлектроники и т. д.
Общество всегда стремилось к тому, чтобы, с одной стороны, получить нужных материалов как можно больше, а с другой — чтобы эти материалы обладали определенными свойствами, необходимыми в данный период времени. И если таких материалов не оказывалось под рукой, то проблема, например, повышения надежности машин решалась тривиальным увеличением толщины стенок деталей, что приводило к повышению материалоемкости всей конструкции и значительному дополнительному расходу материалов. Этот путь, естественно, не удовлетворяет требованиям интенсификации экономики, которая подразумевает применение не просто высококачественных, а одновременно и экономичных материалов, получаемых по оптимальным технологическим схемам. Таким образом, материалы — это составляющие технологий, их фундаментальное звено.
Благодаря высоким давлениям в практику промышленности вошли искусственные алмазы и другие особо твердые и высокопрочные инструментальные материалы. Космические технологии позволяют получать материалы с уникальными свойствами.
Кому удастся раньше разработать и широко внедрить в экономику новые конструкционные материалы с заданными характеристиками, тот, безусловно, будет обладать наиболее мощным техническим и экономическим потенциалом. История науки и техники, прежде всего последних лет, это неоднократно подтверждала.
Именно с новыми материалами связывают ученые и инженеры решение насущных задач, стоящих перед обществом. Взять, к примеру, управляемую термоядерную реакцию, которая обеспечит человечество энергией на миллионы лет, как бы стремительно ни развивались в будущем промышленность и сельское хозяйство. Сейчас практическая реализация научных идей сдерживается из-за отсутствия мощных сверхпроводящих магнитов. Только с их помощью можно управлять плазмой, температура которой достигнет миллиона градусов, а давление в плазменном шнуре составит 120 атмосфер. Удастся создать сверхпроводящие магнитные соленоиды, способные наводить сверхсильные магнитные поля,— значит, наконец осуществится управляемая термоядерная реакция; в противном случае решение «проблемы века» придется отложить еще на десятилетия...
Материалы представляют собой составляющую научно-технического прогресса еще и потому, что они сами по себе являются стимулом для создания новых технологий. Другими словами, если, согласно требованиям дня, одна технология породила новый материал или сделала уже известный настолько дешевым и в таком количестве, что его можно широко использовать, то рано или поздно это приведет к созданию другой, качественно новой технологии, а вместе с этим и к качественно новой ступени экономического развития. Отсюда следует, что проблему материалов необходимо рассматривать комплексно, имея в виду процесс развития в цепи «технология — материал — новая технология». В этой формуле заключается, пожалуй, одна из важнейших функций материала и его влияние на научно-технический прогресс через технологии. Так родилась, например, современная электронная промышленность, основанная на технологиях получения материалов высокой чистоты.
Один из способов их получения — так называемая зонная плавка, основанная на свойстве любого вещества,— при кристаллизации растворенный объем примеси оставлять в расплаве. Практически процесс сводится к тому, что длинный металлический стержень любым способом (токами высокой частоты, пучком электронов и т. д.) расплавляется с одного конца, и горячий участок медленно перемещается вдоль стержня. Растворенные примеси удерживаются в расплаве. Операцию можно проделать несколько раз, получая все более и более' чистый металл. Кстати, если верить рассказам охотников, то сходным образом лисица избавляется от блох. Она берет в зубы клок шерсти и, медленно пятясь, входит в воду. Блохи воды боятся и, спасаясь, постепенно перескакивают все ближе к голове лисицы. Она тем временем скрывается под водой, торчит лишь кончик носа и клок шерсти. Блохам ничего не остается, как собраться на единственном сухом островке, то есть на клочке шерсти. Тут-то лисица и обманывает блох: выпускает клочок из зубов, а сама выскакивает из воды.
Благодаря зонной плавке удалось получить ряд металлов особо высокой чистоты. Сначала интерес к ним был чисто научным — пользуясь полученными образцами, можно было определить подлинные, ничем не искаженные свойства вещества. Потом оказалось, что сверхчистые металлы нужны, например, для атомной энергетики. Та же цепная реакция могла развиваться только в такого рода уране. Вскоре сверхчистые материалы потребовались и для получения особо жаропрочных и жаростойких сплавов. Но самая высокая степень чистоты понадобилась для полупроводниковых материалов. Для германия, например, доля примесей не должна превышать миллиардной доли процента. Для полупроводниковых приборов необходима также идеальная правильность кристаллического строения материала.
Полупроводники позволили уменьшить размеры, а также вес радиоэлектронной аппаратуры в десятки и сотни раз, а главное — резко увеличили ее надежность. Открывается возможность, и она уже частично реализуется, создавать управляемое распределение электроактивных примесей (мышьяка, бора, алюминия и т. д.) в ультрачистом и правильном кристалле и тем самым создавать микрозоны, выполняющие роль диодов, триодов, конденсаторов, сопротивлений, то есть размещать всю сложнейшую радиоэлектронную схему в одном миниатюрном кристалле. Когда эта задача будет полностью осуществлена, представится возможность не собирать из отдельных деталей, а, что называется, выращивать целиком электронно-вычислительные машины, телевизоры и средства связи.
Небезынтересна история титана. Первые граммы этого металла были получены в 1910 году. Однако ученые и специалисты довольно быстро потеряли к нему интерес: испытания показали его непрочность, хрупкость и трудность обработки. В течение десятилетий титан использовался лишь для легирования стали и производства белил.
Но разработанная технология получения чистого титана сразу же перевела его в класс важнейших конструкционных материалов для авиации, химической и энергетической промышленности. Правда, титан по чти в полтора раза тяжелее алюминия, но зато и прочнее его в шесть раз, а потому удельная прочность конструкций из титана гораздо больше. Кроме того, у него значительно более высокая, чем у алюминия, температура плавления. Именно использование титана позволило стать авиации сначала сверхзвуковой, а потом и сверхтепловой. И все же потенциальные возможности этого металла как конструкционного материала пока еще реализованы не полностью. Ведь титан претендует на роль одного из главных «кирпичей» в фундаменте цивилизации будущего.
Долго считались хрупкими такие металлы, как хром, вольфрам, молибден, тантал, висмут, цирконий, и другие. Технология очистки открыла не только их высокие пластические свойства, но и целый ряд других весьма ценных качеств. Фактически благодаря совершенствованию технологий произошло как бы второе открытие материалов, после чего началось их широкое и триумфальное применение в ряде отраслей промышленности.
Большие надежды конструкторы и технологи связывают с алюминием, которого, кстати, в земной коре содержится вдвое больше, чем железа. Уже сейчас он широко применяется в машиностроении, электротехнической, энергетической, атомной промышленности, строительстве, сельскохозяйственном производстве и так далее. Он незаменим в авиации, космическом машиностроении. Однако пока алюминий относительно дорог, что несколько сужает рамки его применения. Вместе с этим как не вспомнить, что благодаря совершенствованию технологий удельная стоимость алюминия снизилась за последние сто лет в тысячу раз. Если бы этот металл подешевел еще раз в десять, то он весьма ощутимо потеснил бы чугун и сталь и, возможно, стал основным материалом ближайшего будущего. К достоинствам алюминия надо отнести его высокую технологичность, хорошую обрабатываемость, способность противостоять низкой температуре.
Безусловно, перспективно использовать пенометаллы, пористые металлы. Удельный вес их очень низок, а прочность практически такая же, как и обычной стали. Технология изготовления пенометалла основана на введении в расплав пенообразующей добавки. Уже получены пенометаллы на основе алюминия, никеля, железа и т. д. Сфера их применения чрезвычайно широка. В первую очередь это авиационная, морская и космическая техника, средства транспорта.
