Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Температура плавления металла показывает, насколько тесна связь между атомами и насколько свободно могут перемещаться нарушенные фрагменты. У свинца низкая температура плавления, поэтому его дислокации удивительно легки на подъем, и за счет этого свинец на редкость мягкий металл. А вот медь плавится при более высокой температуре, поэтому она твердая. Нагрев позволяет дислокациям перемещаться и выстраиваться по-новому. В результате металлы становятся мягче.

Открытие металлов было важным событием первобытной истории, но оно не решило главной проблемы – вокруг имелось не так уж много металла. Можно было, конечно, подождать, пока он упадет с неба, но это требовало колоссального терпения (каждый год на поверхность Земли падает несколько килограммов метеоритного железа, и бо́льшая часть его исчезает в океане). Однако нашелся неизвестный герой, который положил конец каменному веку, открыв дверь в будущее материальное изобилие. Он обнаружил некий зеленоватый камень, который, если его бросить в огонь и обложить раскаленными углями, превратится в блестящий кусок металла. Этим зеленоватым камнем был малахит, а получавшимся металлом, разумеется, медь. Должно быть, это было самое ослепительное во всех смыслах открытие. Неожиданно люди поняли, что их окружают не мертвые камни, но таинственная субстанция со своей внутренней жизнью.

Подобные метаморфозы происходили лишь с небольшим числом камней. Недостаточно было найти камешек определенной породы – следовало еще тщательно соблюдать химические условия плавления. Но древние наверняка догадывались, что если камень так и остался камнем в самом жарком костре, то это камень с секретом. И были правы. Многие минералы сохраняли форму при нагревании, но прошло несколько тысячелетий, прежде чем понимание необходимых химических условий (нужно контролировать химические реакции между веществом камня и образующимися в пламени газами) привело к очередному прорыву в металлургии.

А пока, примерно с пятого тысячелетия до нашей эры, люди методом проб и ошибок оттачивали мастерство выплавки меди. Появление медных орудий труда привело к небывалому развитию техники. С них начались новые технологии. С помощью медных орудий строили города и первые великие цивилизации. Строительство египетских пирамид стало возможным благодаря массовому применению медных орудий труда. Каждую каменную глыбу для пирамиды вырубали в каменоломне и обтесывали вручную медными долотами. По подсчетам специалистов, в Древнем Египте было добыто около 10 000 тонн медной руды для изготовления 300 000 резцов – великое достижение, без которого громадная армия рабов никогда бы не построила пирамиды, потому что лишь металлу под силу справиться с камнем. Это при том, что медь далеко не лучший материал для обтесывания камней – она чересчур мягкая, медное долото быстро притупляется об известняк. Ученые подсчитали, что инструмент нуждался в заточке через каждые несколько ударов молотком, иначе от него не было проку. По той же причине медь не годится для бритвенных лезвий.

Еще один сравнительно мягкий металл – золото. Мягкий настолько, что обручальные кольца обычно делают из сплава, в противном случае они быстро покрываются царапинами. Совсем небольшая, всего в несколько процентов, добавка другого металла, например серебра или меди, не только меняет цвет золота: серебро отливает белизной, а медь красным, – но и придает ему твердость. Эта чувствительность металлов к малейшим примесям поистине завораживает. Вы спросите, куда же деваются атомы серебра в золотом сплаве. Ответ прост: они встраиваются на место атомов золота. Как раз эта замена в кристаллической решетке и делает золото тверже.

Сплавы практически всегда тверже чистых металлов по одной простой причине – атомы добавок (присадок) отличаются по размеру и химическим свойствам от атомов основного металла. Поэтому, встраиваясь в кристалл основного металла, они вызывают всевозможные механические и электрические деформации, затрудняющие перемещение дислокаций. В итоге металл твердеет, поскольку его кристаллам труднее менять форму. Таким образом, сплавы нужны, чтобы помешать движению дислокаций в кристаллах.

Сплав золота с серебром на уровне атомной структуры. Атомы серебра замещают часть атомов золота в кристаллической решетке

В природе атомные замены происходят и с другими кристаллами. Скажем, кристалл чистого оксида алюминия не имеет цвета, но примесь атомов железа придает ему голубоватый оттенок, и он превращается в драгоценный камень сапфир. А если оксид алюминия смешать с хромом, получится рубин.

Три века цивилизации: медный, бронзовый, железный – отражают постепенный переход к твердым сплавам. Медь – слабый металл, но он встречается в природе и легко плавится. Бронза – сплав меди с небольшим количеством олова, иногда мышьяка, – гораздо тверже меди. Итак, у вас есть медь, и вы представляете себе, что вы хотите из нее сделать. Немного усилий, и можно ковать оружие и бритвенные лезвия в десять раз прочнее и тверже медных. Но не все так просто. В естественной среде олово и мышьяк чрезвычайно редки. Торговые пути с таким трудом прокладывали именно затем, чтобы доставить олово из далеких Корнуолла или Афганистана в центры цивилизации на Ближнем Востоке.

Современные бритвенные лезвия тоже сделаны из сплава, но, как я объяснил Брайану, это сплав особый, он был загадкой для наших предков на протяжении многих тысячелетий. Сталь гораздо прочнее бронзы, а два ее компонента – железо и углерод – в изобилии присутствуют в земной коре. Практически любая горная порода содержит железо, а углерод входит в состав любого горючего материала. Но наши предки не понимали, что сталь – это сплав, что уголь не просто сгорает в кузнечном горне, но в процессе плавления отдает углерод, который проникает в кристаллы железа. Причем фокус удается только с железом – с медью, оловом или бронзой такого не происходит. Видимо, первобытным людям это казалось невероятной тайной. Лишь теперь, в свете квантовой механики, мы можем объяснить, в чем тут дело: углерод не замещает атомы железа в решетке, но как бы втискивается между ними, деформируя кристалл.

Но есть одна загвоздка. Если взять слишком большое количество углерода – скажем, 4 % вместо 1 %, – железо становится чрезвычайно хрупким и совершенно непригодным для изготовления инструментов и оружия. И это серьезная проблема, поскольку в пламени довольно много углерода. Стоит передержать железо, а тем более дать ему расплавиться, – в кристаллы попадет лишний углерод, и сплав станет очень хрупким. Меч из такой высокоуглеродистой стали сломается в бою.