Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Харьковчанами раскрыт и секрет олова. Оно тоже испытывает превращения, названные низкотемпературным полиморфизмом. При определённой температуре белое олово превращается в серое порошкообразное вещество, то, которое полтора столетия тому назад было обнаружено на петербургском складе. Это было олово, но изменившее свою внутреннюю структуру. Такое превращение может произойти и при более высокой температуре, если потрясти металл. Удар, сотрясение ускоряет перерождение. Как видно, по этой причине развалились баки с горючим на экспедиционных кораблях Роберта Скотта. Поэтому теперь радиотехническую аппаратуру, подверженную тряске, никогда не паяют чистым оловом.

Но всё-таки олово не раскрыло своей тайны до конца. Если другие охлаждённые металлы сохраняют металлические свойства, то олово ведёт себя совсем неожиданно… Оно превращается в полупроводник…

Необъяснимым остаётся и другое. В большинстве случаев строение охлаждённых металлов становится экономнеё, атомы и молекулы упаковываются плотнее. В этом учёные убеждались не раз. Низкие температуры поступают с металлами так же, как высокие давления.

Этому правилу подчиняются литий, натрий и многие другие металлы.

А олово — нет. Оно поступает как раз наоборот. Аккуратные белые брусочки распухают и превращаются в рыхлое месиво.

Почему оно ведёт себя именно так? Почему при охлаждении и деформации оно стремится занять побольше места? Ответа на это пока нет.

Но стоит ли об этом думать? Может быть, это вовсе не так важно?

Нет, и обращение олова в полупроводник, и увеличение его объёма при охлаждении не случайность. Это, несомненно, проявление общей закономерности. И учёные трудятся над её выявлением, ибо знание необходимо для управления поведением металлов, для создания материалов с наперёд заданными свойствами.

Ставя опыт с охлаждёнными металлами, харьковские учёные обнаружили совсем уж курьёзное явление, объяснить которое поначалу не брались даже самые опытные теоретики.

Результаты опытов упорно настаивали на том, что металл в куске может обладать совсем иными свойствами, чем тот же металл, но… в виде плёнки.

На первый взгляд это кажется просто абсурдным, противоречащим всему опыту общения с металлами. Однако…

Как садовник сажает семена растений, так физики «сажали» атомы висмута и бериллия, натрия и калия на охлаждённую жидким гелием пластинку. Сажали не торопясь, один за другим. Только так можно было получить действительно сверхтонкую пленку. Конечно, это происходило не на воздухе, а под колпаком, из-под которого специальные насосы откачивали воздух. И атомы сажали не руками. Они испарялись с поверхности расплавленного металла и, не испытывая помех, постепенно осаждались на холодную пластинку.

Изучая свойства бериллиевой плёнки и пропуская через неё электрический ток, учёные оказались свидетелями непредвиденного эффекта. Плёнка покорилась току, не оказав ему сопротивления.

На первый взгляд в этом явлении в наши дни уже нет ничего загадочного. Как гром средь бела дня оно поразило Каммерлинг-Оннеса в начале нашего века, когда, охладив ртуть до температуры жидкого гелия, он обнаружил в ней полное отсутствие сопротивления электрическому току. Явление сверхпроводимости действительно несколько десятилетий оставалось необъяснимым. Но теперь, как мы уже сказали, трудами советских и зарубежных физиков создана стройная теория этого удивительного явления.

Тем более интересна «ошибка» с бериллием, который уверенно причисляли к металлам, ни при каких условиях не способным к сверхпроводимости. Как ни охлаждали бериллий, присущая ему кристаллическая решётка препятствовала прохождению электрического тока.

И вдруг… плёночка бериллия спутала все карты. Правда, раньше учёным был известен ещё один металл — висмут, плёнки которого вопреки правилам становились сверхпроводящими. Но это долго считалось единственным исключением из общего правила.

А теперь и бериллий. Два случая — это уже не исключение. Значит, бериллий и висмут — представители группы веществ, не подчиняющихся известным нормам поведения. Это указывало на то, что теория сверхпроводимости не полна. Ведь из неё не следовали такие отклонения.

Что же заставляет эти металлы изменять свои свойства? — размышляли учёные. И нет ли здесь связи с явлением низкотемпературного полиморфизма, то есть изменения кристаллической структуры, которому подвержены оба металла? Может быть, при принудительной конденсации атомов висмута и бериллия на охлаждённую пластинку образуется искусственная решётка, склонная к сверхпроводимости?

На справедливость этих предположений указывал простой опыт. Когда исследователи многократно нагревали, а затем замораживали плёнку, она постепенно теряла свойства сверхпроводника. Так как при этом она не подвергалась никакой деформации, её атомы, возможно, постепенно возвращались к своему обычному порядку — восстанавливалась решётка, не склонная к сверхпроводимости.

Не кроется ли в том, что подметили харьковские учёные, намёк на богатую перспективу направленного изменения свойств металлов? Если один и тот же металл может проявлять различные качества в зависимости от способа его получения, если его атомы можно заставить строиться по-разному, значит, перед техникой будущего открываются заманчивые возможности управления свойствами вещества!

Не только бериллий и висмут, железо тоже считалось металлом, абсолютно неспособным к сверхпроводимости. До недавнего времени никто ни при каких условиях не мог получить сверхпроводящее железо. Но это учёных не удивляло. Этому имеется весьма веское основание.

Ведь сверхпроводимость и магнетизм — исконные враги.

Силовые магнитные линии упорно избегают сверхпроводник. В этом убеждает элементарный опыт. Если на пути магнитного поля поместить проволочку в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле обежит её, как морская волна бревно. Но если быть очень настойчивым и, увеличивая силу магнитного поля, стремиться втолкнуть его внутрь проволоки, оно действительно проникнет туда, однако… состояние сверхпроводимости в проволоке исчезнет.

Таким образом, одной из особенностей низких температур является несовместимость сильного магнитного поля и состояния сверхпроводимости.

Поэтому железо, которое является материалом магнитным, никак не может стать сверхпроводником. Разве только железо немагнитное… Но возможно ли такое в природе?

Правда, немагнитное железо в нагретом состоянии никого бы не удивило. Французский учёный Пьер Кюри давно заметил: нагретое выше определённой температуры железо всегда теряет магнитные свойства. Температура, при которой размагничиваются стальные магниты, называется точкой Кюри. Она лежит выше 700 °C. Но немагнитное железо в холодном состоянии! Это невероятно. Сверхпроводящее железо — это был бы просто парадокс.