Страница:
Еще один пример - полимерные мембраны. Если в диффузорный газоразделительный аппарат установить селективную полимерную мембрану, то можно выделить из природного газа, содержащего 0,45 процента гелия, газовую смесь, состоящую из гелия на 70 процентов.
Обо всем и не расскажешь, хотя интересного очень много: искусственное сердце и почка, кровезаменители, сосуды и контактные линзы, съедобная упаковка, элементеорганические полимеры, содержащие кремний, фосфор, алюминий, титан и потому обладающие уникальными свойствами, современные процессы нанесения лакокрасочных покрытий на полимерной основе, где используют бомбардировку ускоренными электронами, лазерное и ионизирующее излучение, электроосаждение, электростатическое поле и тлеющий разряд.
Но главное - заменить дефицитное природное сырье полимерными материалами. Уже сейчас созданы материалы, заменяющие металлы и даже превосходящие их по некоторым свойствам. А синтетические ткани из полиэфирных и других полимерных волокон? Причем каждое новое волокно по своим свойствам все ближе к своим природным аналогам - дефицитным шерсти, хлопку и шелку и даже нередко превосходит их. Так что "за полимерами будущее" сказано не ради красного словца.
Впереди непочатый край работы для конструкторов, инженеров, ученых и руководителей производств - выпускников полимерного факультета МХТИ имени Д. И. Менделеева. Если хотите работать на переднем крае науки и техники в неисчерпаемом и увлекательном мире полимерных материалов, приходите к нам учиться.
Мы вас ждем".
Эта небольшая корреспонденция декана полимерного факультета МХТИ доктора химических наук Г. М. Цейтлина, опубликованная в одном из номеров журнала "Химия и жизнь", обратила на себя мое внимание сразу по нескольким причинам. Во-первых, появилась она в разделе "химические профессии". А знакомство молодежи с делом, которое может оказаться единственным на всю жизнь, чрезвычайно важно и ответственно. Не знаю, как другие публикации этой рубрики, но та, что мне попалась на глаза, написана и по-деловому, и достаточно занимательно. Одним словом, так, как может и должен писать об этом человек, по-настоящему любящий свое дело. А, во-вторых, как ни парадоксально, но именно последняя и достаточно стереотипная концовочная фраза "мы ждем вас", заставила отнестись к ней внимательно.
Суть в том, что это достаточно примелькавшееся выражение для химической науки давно трансформировалось в некий рефрен, сопровождающий ее на всем пути становления и развития. Насколько помню, мы всегда ждали специалистов на химических предприятиях и нам всегда их недоставало. "Мода" в других отраслях народного хозяйства то окружала ореолом славы специальности, особенно необходимые на данном этапе развития экономики, то довольно резко "сдергивала" их с пьедестала почета. Химикам подобных взлетов и падений, к счастью, пережить не довелось. Потому что спрос на них всегда, во все времена был достаточно высок.
А ведь в советской химии представлены все направления современной химической науки.
Разумеется, их становление происходило не параллельно, не одновременно, а по тем законам, которые определялись тенденцией развития науки вообще. Так, в последнее столетие для химии во всем мире характерен широкий размах работ по синтезу органических соединений, именно в этой области достигнуты выдающиеся успехи, превратившие органическую химию в основу изучения жизненных процессов и познания тайн жизни.
Неорганическая же химия развивалась в тот же период более медленно, главным образом, как научная основа традиционных отраслей промышленности: минеральных кислот, щелочей и солей, черной и цветной металлургии, вяжущих материалов, керамики и стекла.
И только научно-технический прогресс задал ей тот ускоренный темп, выдвинул такие научные проблемы, которые заставили очень многое переоценить и переосмыслить. Более того, именно потребности научно-технического прогресса явились стимулирующим началом создания в неорганической химии нового крупного раздела - координационной химии. А объектом исследований стали соединения, в которых можно выделить центральный атом (чаще всего аюм металла) и присоединенные к нему (координированные) лиганды: атомы, ионы, молекулы неорганической и органической природы. Причем, как правило, в этих соединениях число лигандов превышает классическую валентность центрального атома, определяемую как число неспаренных электронов в его валентной оболочке.
Возникнув на стыке двух больших областей химии - неорганической и органической, координационная химия стала полем их интеграции - процесса, прямо противоположного дифференциации, наблюдавшейся на протяжении всего предшествовавшего периода развития химической науки. Впрочем, современное развитие любой науки (химия - лишь один из примеров) характеризуется единством противоположных- тенденций - глубокой дифференциацией и специализацией, с одной стороны, и интеграцией и кооперацией различных областей знаний - с другой.
Сегодня координационная химия (или, как ее еще называют, химия комплексных соединений) - традиционное направление исследований в нашей стране. А основополагающие работы советских ученых в этой области получили широкое международное признание.
Речь идет прежде всего о развитии исследований по металлокомплексному катализу, внедрению координационных представлений в биохимию, интенсивном использовании комплексных соединений в медицине и сельском хозяйстве. Очень большое развитие получили химия редких и переходных элементов, в том числе и координационная химия этих элементов.
Дело, по существу, обстоит так: редкие элементы, служившие в прошлом лишь своеобразным украшением периодической системы, постепенно входят в нашу жизнь, и, я уверен, скоро без них будет так же трудно обходиться как, скажем, без железа или поваренной соли.
Выдающимся достижением неорганической химии последних лет стало, безусловно, и получение химических соединений некоторых благородных газов, внешние электронные оболочки которых чрезвычайно прочны, что по укоренившемуся мнению и препятствовало их взаимодействию с другими элементами. Миф о химической инертности благородных газов господствовал в науке долго, почти полстолетия. Но в июле 1962 года английский химик Н.Бартлет сообщил в печати о том, что ему удалось осуществить взаимодействие гексафторида платины и ксенона с образованием твердого химического соединения. Затем были получены прямым синтезом из ксенона и фтора ди-, тетра- ц гексафторпды ксенона.
В настоящее время известно уже более 150 химических соединений ксенона, криптона и радона. Многие из них получены в нашей стране. Большая заслуга в этом академика В. А. Легасова.
А если характеризовать в целом особенности современной неорганической химии, то их можно определить коротко: развитие исследований, без которых просто-напросто невозможно установление связей между химическим строением и структурой соединений, с одной стороны, и реакционной способностью и физическими свойствами (оптическими, магнитными, электрическими, механическими и проч.) - с другой. Между тем, именно выявление этих связей лежит в основе создания новых материалов. Надо ли говорить, какие сложные задачи встают в связи с этим перед химией, как расширяется для исследователя спектр исходных веществ и методов получения из них новых соединений и материалов. В технике, например, сейчас применяются многие тысячи металлических сплавов, в состав которых входит в различных комбинациях более 50 химических элементов.
Было бы наивно думать, что эти комбинации находят, как поступали средневековые алхимики, наугад смешивая и соединяя различные вещества, так сказать, методом проб и ошибок. Но не менее односторонне полагать, что в наши дни все в химии поддается предварительному теоретическому прогнозированию и математическому расчету. И хотя современная химия становится все более точной наукой, базирующейся на закономерностях, связывающих свойства вещества с их химическим составом, кристаллической структурой, природой химической связи, искусство синтеза новых химических соединений есть и будет одним из важных условий ее развития.
Надо сказать, что свойства этих соединений определяются наиболее злободневными нуждами промышленности. А они на разных исторических этапах разные. Причем, потребность в них нередко оказывается столь острой и неотложной, что ее удовлетворение означает ни мало ни много независимость отечественной экономики от иностранного капитала.
Именно так обстояло дело в первые послереволюционные годы и с органической химией в целом, и специализированными ее областями нефтехимией, химией углеводов, высокомолекулярных соединений, красящих веществ, продуктов тяжелого и тонкого органического синтеза. Переоценить достижения советских химиков тех лет практически невозможно. А ведь именно в эти годы академиком Н. Н. Семеновым формулируется теория разветвленных реакций, сыгравшая выдающуюся роль в прогрессе химии и химической технологии.
Из работ того времени в памяти людей моего поколения наиболее яркое впечатление оставили фундаментальные исследования академика С. В. Лебедева и его сотрудников по синтезу и изучению строения искусственных каучукоподобных материалов, приведшие в 1926 году к разработке промышленного способа получения каучука на основе полимеризации дивинила. Пуск и освоение в 1932 году первых в мире заводов синтетического каучука по этому методу были триумфом молодой советской химической науки и промышленности. А чуть позже, уже после войны, советские химики разработали и промышленно освоили метод получения стереорегулярных каучуков, не уступающих по качеству природным, а по некоторым показателям даже их превосходящих.
Большим научным событием в конце 30-х годов стал метод синтеза кремнийорганпческих полимеров академика К. А. Андрианова, положивший начало созданию принципиально новых высокотемпературоустойчивых масел, каучуков, клеев, электроизоляционных материалов и организации новой отрасли химической промышленности.
При активном участии ученых-химиков в предвоенные годы в Советском Союзе были созданы важные для народного хозяйства и обороны отрасли химической промышленности: анилинокрасочная, азотная, пластических масс, нефтехимическая и другие.
Как известно, революция в физике в начале XX века распространилась на химию, биологию и другие науки, постепенно захватив все сферы познания. Физика, механика, математика, астрономия открыли путь атомной энергетике, электронным вычислительным машинам и управляющим устройствам и обеспечили выход человека в космос. Но это было бы невозможно без химии, которая создает новые источники энергии и новые материалы, столь необходимые для энергетики, электроники, космических кораблей и новых машип.
Вместе с тем именно химия ставит перед производством, культурой, бытом человека еще одну кардинальную задачу - замену старых материалов и старых методов их получения и обработки на новые. Эта задача лаконично и четко сформулирована в Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года:
"Улучшить структуру и качество конструкционных материалов, исходя из задач создания новой прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направления в развитии экономики. Ускоренно развивать производство экономических видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов; расширить номенклатуру, улучшить технико-эконолшческие и повысить прочностные и антикоррозийные характеристики конструкционных материалов".
И миновать эту проблему, обойти ее каким-то окольным путем невозможно. Взять хотя бы то же машиностроение. Задачи, стоящие сейчас перед ним, общеизвестны - не только достичь уровня мировых стандартов, но и превзойти их. А что это означает?
Прежде всего создание машин, обладающих высочайшей надежностью. Проблема, как очевидно всем, не из простых. Но и не из неразрешимых, потому что складывается она из нескольких составных, каждая из которых по плечу и нашей науке и отечественной индустрии.
Первая из этих составных - материалоемкость. Конструктор, достигавший прежде наибольшей надежности машины за счет традиционного увеличения массивности, сегодня все чаще должен ее обеспечивать, используя дешевые и легкие конструкционные материалы. Кто же их даст конструктору?
Конечно же, химия. Достаточно привести всего один пример из истории Великой Отечественной войны, чтобы убедиться в правомочности такого утверждения. Вспомните тегендарный танк Т-34. Его создатели М. И. Кошкин, А. А. Морозов и Н. А. Кучеренко оснастили свое детище двигателем из... алюминиевых сплавов. Т-34, легкий, подвижный, маневренный, получил всеобщее признание как лучший танк второй мировой войны.
Вторая проблема, которую предстоит решить для достижения наибольшей степени надежности, это трение.
Здесь надо все переиначить, перевернуть, как говорят, с головы на ноги. И если сегодня именно с трением связаны серьезные тревоги машиностроителей, то завтра извечное зло может и должно превратиться в благо.
Есть, например, материалы, которые не нужно смазывать. Они и так способны побеждать трение. Их немного, пока что всего два - графит и дисульфид молибдена, но, как говорится, лиха беда - начало. Кому же по силам такое чудо из чудес?
Опять же химии.
И, наконец, третья ступень, ведущая к пьедесталу надежности, вибрация. Оказывается и ее грозную разрушающую силу можно заставить трудиться на "здоровье" машины. Опять же не без помощи химии.
В общем, решение проблемы из проблем машиностроения - высокой надежности - вполне реально, если, конечно, ему поможет химия.
И более того, достижения отечественной науки открывают перед создателями новых конструкций невиданную прежде возможность: используя современные методы расчета, заставить материалы не растрачивать в процессе работы свои прочностные качества, а становиться все более и более прочными. А это немыслимо без знания их физико-химических свойств, без конструирования деталей на молекулярном уровне. Машину сегодня, если использовать все достижения техники, можно и должно создавать супернадежную, легкую, не знающую износа.
Примеров тому немало. Взять хотя бы авиационную технику. Она и легка, и удивительно надежна. Или всем известный велосипед. Каких только конструкций его не бывает! И все в достаточной степени надежны. А вот вес у них разный. Прогулочный, например, в пять раз тяжелее трековых. В чем же дело? В том, что конструктор при создании последнего использовал мало металла и много полимерных и композиционных материалов. Но если кто-то думает, что цель применения их только в замене металлических деталей, в облегчении машины, то ошибается. Потому что с помощью новых материалов, создаваемых химией, сегодня решается прямо-таки фантастическая задача: деталь упрочняется именно в том направлении, в котором при работе она будет испытывать максимальную нагрузку.
Способ изготовления композитов для таких нужд избирается тоже соответствующий: армирующие волокна укладываются в наиболее выгодном для данной детали направлении, а матрицей служат металлы, полимеры и другие вещества и соединения. Производство материалов таким способом практически безотходно. А это чрезвычайно важно, ибо комплексное использование сырья одна из главных задач современной индустрии.
В качестве армирующих материалов в настоящее время применяются прочные волокна графита, бора, саифира, а матрицей служат легкие металлы и полимеры, карбиды и нитриды легких элементов. Над созданием таких материалов трудятся многие научные коллективы страны, а в практическом их внедрении заинтересованы все предприятия, избравшие для себя курс ускорения.
Все чаще используется в машиностроении и композит металл-резина, слоистая конструкция которого представляет собой "пирог" из тонких листов металла или проволоки и резины и прекрасно "гасит" шум и вибрацию.
Но как ни значимы, как ни важны для создания надежных машин композиты, металл все еще остается основой основ машиностроения, хотя и все чаще приобретает новые, не свойственные ему прежде свойства. В Институте машиноведения имени А. А. Благонравова АН СССР разработан, например, вибрационный способ закалки стали, резко повысивший ее прочность и пластичность.
Все чаще в металл, составляющий конструкционную основу машины, включают еще и другой низкоплавкий металл, который в случае необходимости, плавясь, заполнит образовавшуюся трещину в детали. А в результате произойдет нечто вроде самозалечивания машины.
Но еще более перспективны многослойные материалы, в которых чередуются металл и неметалл. Их теперь все чаще называют материалами Сандвичевой конструкции.
Детали и узлы, изготовленные из них, гораздо легче металлических и способны значительно смягчить динамические нагрузки.
Но не только материалы для узлов и деталей поставляет сегодня машиностроителям химия. Экономичное топливо, смазочные материалы - все это ее продукты. Если учесть, что практически все детали машины, совершающие . вращательное движение, закрепляются на подшипниках, станет очевидным, какой масштабности эта проблема. А если подшипник не подмажешь, то и с машины хорошей работы не спросишь. В общем, без смазки обойтись очень трудно.
Трудно, но все-таки нужно! И опять же этот сюрприз машиностроителям преподнесла химия, подсказав им, где именно следует искать управу на трение. Сегодня фторопластовые подшипники (а именно фторопласт-4 рекомендовала химия) почти вдвое увеличили долговечность узлов трения в мощных БелАЗах, и они же достойно представили химию в текстильной и пищевой промышленности.
Да, химия трудится в поте лица. И не только на машиностроение. Поверьте уж на слово: она действительно, как говорил М. В. Ломоносов, "широко простирает руки свои в дела человеческие". Чем глубже проникает наука в природу вещей и явлений, тем сильнее, могущественней она становится. И тем труднее, крупномасштабнее задачи приходится ей решать. А это значит, что к традиционно химическим специальностям все прибавляются новые. И нет конца этому обновлению. Вот почему призыв "мы вас ждем" и не исчезает с повестки дня.
Нет на свете науки прекраснее химии и нет профессии нужней, чем специальности химиков. Можете мне поверить, друзья!
Похвальное слово химии
Сегодня, завтра, всегда
Композиционные материалы, их свойства и особенности определяют в наши дни эффективность любых конструкций, от автомашин, самолетов до морских судов и космической техники. И это, я думаю, понятно каждому.
Но почему композиционные материалы, создаваемые с заранее заданными свойствами, нередко удивляют и разочаровывают своих творцов, ломая их замыслы и расчеты, - загадка посложнее. Причем решается она каждый раз по-своему. Однако три заданных компонента должны в ней присутствовать обязательно. Потому что среди многих свойств конструкционных материалов эти три имеют уникальное значение: прочность (способность сопротивляться растягивающим нагрузкам), модуль упругости (жесткость, которая определяет устойчивость конструкций при воздействии сжимающих нагрузок) и, наконец, плотность материала, его удельный вес.
Каждое из этих качеств не просто важно само по себе, но оно еше важно и своим влиянием на другие слагаемые уникальных свойств композита. Об эюм мы всегда обязаны помнить. Вот почему, приступая к созданию нового конструкционного материала, ученый обязательно прикинет, какие главные свойства будут в нем определяющими, и заложит в расчетах удельную прочность и удельный модуль упругости (прочность и модуль упругости, поделенный на удельный вес материала). Нужно сказать, что к качественным показахслем будущего композита предъявляются самые жесточайшие требования, и величина удельной прочности и жесткости, закладываемые в расчеты, измеряются в километрах.
Чтобы представить воочию соотношение сил, влияющих на качество проектируемого материала, вообразим свободно висящий канат. Он разорвется под тяжестью собственного веса, когда достигнет длины, отвечающей удельной прочности материала, из которого данный канат сделан.
Дело в том, что история конструкционных материалов представляет собой поиск композитов, способных в соответствующих условиях кристаллизации или аморфизации выявить оптимальные режимы их обработки и деформирования. Другими словами, конструктор стремится все к большему выражению удельной прочности и жесткости создаваемого им материала.
Но у разных конструкций свои требования к материалам. Часто очень специфичные. Еще бы! Ведь одним из них придется трудиться при очень высоких температурах.
Другим, наоборот, надо выдерживать низкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Третьим - противостоять вибрационным нагрузкам, возникновению усталостных трещин. Четвертым, наконец, предписано проявлять высочайшую коррозионную стойкость.
А это значит, что свойство материалов необходимо постоянно совершенствовать. А насколько эта работа результативна, можно судить хотя бы по таким примерам: в довоенном 1940 году прочность самых высококачественных сталей равнялась 110-130 кг/мм2, в 1985-м - уже 200-250. Произошли соответственно и изменения в прочности алюминиевых сплавов. Они сегодня обладают прочностью в 40 кг/мм2, а сплавы отдельных назначений - даже в 70 кг/мм2. Известны и данные ежегодного прироста прочности. Для стали они (за тот же период 1940-1985 годов) - 4 кг/мм2, для алюминиевых сплавов - 0,6 кг/мм2.
В общем уровень характеристик конструкционных материалов у нас в стране и за рубежом достаточно велак. У стали он, например, 25-32 километра (такова единица измерения) по прочности и 2500-2600 километров по модулю упругости, примерно такие же показатели и у алюминиевых сплавов.
Достаточно сопоставить эти числа, чтобы выявить нечто парадоксальное: показатель по модулю упругости и для стали, и для алюминиевых сплавов один и тот же.
Практически так на самом деле и есть. Удельный модуль упругости всех металлических сплавов (кроме сплавов бериллия) не превышает 2500-2600 километров.
Дело в том, что модуль упругости - "орешек" крепкий. Его не одолеть ни термической обработкой, ни деформационными изменениями. Другими словами, все технологические приемы, перед которыми "пасует" удельная прочность, применительно к модулю упругости оказываются бессильными. Но почему же в таком случае возник широко известный парадокс: даже самые высокие прочностные достоинства материалов не гарантируют столь же высокой надежности конструкций? Более того, у них появляются новые пороки, не проявлявшиеся ранее, когда использовались менее прочные конструкционные материалы? Увеличивается, например, чувствительность к концентрации напряжения, когда какая-то часть изделия испытывает большие нагрузки?
Но какая же конструкция обходится без таких концентраций? Просверлили отверстие - сконцентрировали напряжение. Изменили сечение конструкции опять же рискуете вызвать "бунт" напряжения. А под его воздействием быстрее возникает коррозия, проявляется опасность трещин.
Тем, кто помнит довоенное время, хорошо знакомо, например, слово "дюралюминий". Для большинства именно с названием этого сплава ассоциируется появление в магазинах страны посуды, хозяйственного инвентаря, сделанного из легкого практичного материала.
Для ученых с дюралюминием связаны несколько иные воспоминания. Он первая удачная попытка упрочения алюминия. Легированный медью и магнием металл и давал сплав, поражающий всех своей прочностью - 40 кг/мм2. Казалось бы, чего же желать лучше? Используй по своему назначению дюралюминий хоть в технике, хоть в народном хозяйстве! Но такова уж жизнь, что остановок в ней не бывает. Если прочность дюралюминия уже 40 кг/мм2, то почему не получить и еще более прочный сплав?
Вероятно, примерно так рассуждали химики и металлурги того времени. Тем более что развивающаяся техника и промышленность остро нуждались в сверхпрочных сплавах. А к повышению прочностных характеристик, казалось бы, нет препятствий. Стоит в алюминиевые сплавы, легированные медью и магнием, ввести дополнительно цинк (при этом, конечно, изменить процентное содержание меди и магния), как прочность их удвоится. Но то - теория. Что же получилось на практике?
Изготовленные в те годы по новому способу сплавы растрескались еще в складских помещениях металлургических заводов, так и не попав к потребителю. Почему?
Все по той же причине: сплавы погибли от коррозии под напряжением. А ее спровоцировала обычная влажность.
Но сколь ни печальна оказалась попытка упрочения алюминиевого сплава, именно она привела исследователей к выводу о том, что необходимо искать так называемые добавки - стабилизаторы. Ну и, разумеется, совершенствовать режимы термической обработки сплавов.
Итогом всех этих поисков явилось понижение склонности алюминиевых сплавов к коррозии под напряжением.
Конечно, исследования в данном направлении велись не год и не два. Причем в разных странах они нмели своп особенности, С историей одного из них и связана трагедия американских самолетов "Мартин-202".
Машины данной конструкции преследовали поистине роковые "случайности": в полете на большой высоте у них обрывались крылья. Однако самые тщательные анализы компетентнейших комиссий, проверявших конструкцию самолета, так и не нашли в ней изъянов. Очень скоро, однако, о себе заявили во всеуслышанье непредвиденные, необъяснимые происшествия и с истребителями "Скорпион". И опять ученым и экспертам пришлось взяться за кропотливую работу. Что же выяснилось?
Обо всем и не расскажешь, хотя интересного очень много: искусственное сердце и почка, кровезаменители, сосуды и контактные линзы, съедобная упаковка, элементеорганические полимеры, содержащие кремний, фосфор, алюминий, титан и потому обладающие уникальными свойствами, современные процессы нанесения лакокрасочных покрытий на полимерной основе, где используют бомбардировку ускоренными электронами, лазерное и ионизирующее излучение, электроосаждение, электростатическое поле и тлеющий разряд.
Но главное - заменить дефицитное природное сырье полимерными материалами. Уже сейчас созданы материалы, заменяющие металлы и даже превосходящие их по некоторым свойствам. А синтетические ткани из полиэфирных и других полимерных волокон? Причем каждое новое волокно по своим свойствам все ближе к своим природным аналогам - дефицитным шерсти, хлопку и шелку и даже нередко превосходит их. Так что "за полимерами будущее" сказано не ради красного словца.
Впереди непочатый край работы для конструкторов, инженеров, ученых и руководителей производств - выпускников полимерного факультета МХТИ имени Д. И. Менделеева. Если хотите работать на переднем крае науки и техники в неисчерпаемом и увлекательном мире полимерных материалов, приходите к нам учиться.
Мы вас ждем".
Эта небольшая корреспонденция декана полимерного факультета МХТИ доктора химических наук Г. М. Цейтлина, опубликованная в одном из номеров журнала "Химия и жизнь", обратила на себя мое внимание сразу по нескольким причинам. Во-первых, появилась она в разделе "химические профессии". А знакомство молодежи с делом, которое может оказаться единственным на всю жизнь, чрезвычайно важно и ответственно. Не знаю, как другие публикации этой рубрики, но та, что мне попалась на глаза, написана и по-деловому, и достаточно занимательно. Одним словом, так, как может и должен писать об этом человек, по-настоящему любящий свое дело. А, во-вторых, как ни парадоксально, но именно последняя и достаточно стереотипная концовочная фраза "мы ждем вас", заставила отнестись к ней внимательно.
Суть в том, что это достаточно примелькавшееся выражение для химической науки давно трансформировалось в некий рефрен, сопровождающий ее на всем пути становления и развития. Насколько помню, мы всегда ждали специалистов на химических предприятиях и нам всегда их недоставало. "Мода" в других отраслях народного хозяйства то окружала ореолом славы специальности, особенно необходимые на данном этапе развития экономики, то довольно резко "сдергивала" их с пьедестала почета. Химикам подобных взлетов и падений, к счастью, пережить не довелось. Потому что спрос на них всегда, во все времена был достаточно высок.
А ведь в советской химии представлены все направления современной химической науки.
Разумеется, их становление происходило не параллельно, не одновременно, а по тем законам, которые определялись тенденцией развития науки вообще. Так, в последнее столетие для химии во всем мире характерен широкий размах работ по синтезу органических соединений, именно в этой области достигнуты выдающиеся успехи, превратившие органическую химию в основу изучения жизненных процессов и познания тайн жизни.
Неорганическая же химия развивалась в тот же период более медленно, главным образом, как научная основа традиционных отраслей промышленности: минеральных кислот, щелочей и солей, черной и цветной металлургии, вяжущих материалов, керамики и стекла.
И только научно-технический прогресс задал ей тот ускоренный темп, выдвинул такие научные проблемы, которые заставили очень многое переоценить и переосмыслить. Более того, именно потребности научно-технического прогресса явились стимулирующим началом создания в неорганической химии нового крупного раздела - координационной химии. А объектом исследований стали соединения, в которых можно выделить центральный атом (чаще всего аюм металла) и присоединенные к нему (координированные) лиганды: атомы, ионы, молекулы неорганической и органической природы. Причем, как правило, в этих соединениях число лигандов превышает классическую валентность центрального атома, определяемую как число неспаренных электронов в его валентной оболочке.
Возникнув на стыке двух больших областей химии - неорганической и органической, координационная химия стала полем их интеграции - процесса, прямо противоположного дифференциации, наблюдавшейся на протяжении всего предшествовавшего периода развития химической науки. Впрочем, современное развитие любой науки (химия - лишь один из примеров) характеризуется единством противоположных- тенденций - глубокой дифференциацией и специализацией, с одной стороны, и интеграцией и кооперацией различных областей знаний - с другой.
Сегодня координационная химия (или, как ее еще называют, химия комплексных соединений) - традиционное направление исследований в нашей стране. А основополагающие работы советских ученых в этой области получили широкое международное признание.
Речь идет прежде всего о развитии исследований по металлокомплексному катализу, внедрению координационных представлений в биохимию, интенсивном использовании комплексных соединений в медицине и сельском хозяйстве. Очень большое развитие получили химия редких и переходных элементов, в том числе и координационная химия этих элементов.
Дело, по существу, обстоит так: редкие элементы, служившие в прошлом лишь своеобразным украшением периодической системы, постепенно входят в нашу жизнь, и, я уверен, скоро без них будет так же трудно обходиться как, скажем, без железа или поваренной соли.
Выдающимся достижением неорганической химии последних лет стало, безусловно, и получение химических соединений некоторых благородных газов, внешние электронные оболочки которых чрезвычайно прочны, что по укоренившемуся мнению и препятствовало их взаимодействию с другими элементами. Миф о химической инертности благородных газов господствовал в науке долго, почти полстолетия. Но в июле 1962 года английский химик Н.Бартлет сообщил в печати о том, что ему удалось осуществить взаимодействие гексафторида платины и ксенона с образованием твердого химического соединения. Затем были получены прямым синтезом из ксенона и фтора ди-, тетра- ц гексафторпды ксенона.
В настоящее время известно уже более 150 химических соединений ксенона, криптона и радона. Многие из них получены в нашей стране. Большая заслуга в этом академика В. А. Легасова.
А если характеризовать в целом особенности современной неорганической химии, то их можно определить коротко: развитие исследований, без которых просто-напросто невозможно установление связей между химическим строением и структурой соединений, с одной стороны, и реакционной способностью и физическими свойствами (оптическими, магнитными, электрическими, механическими и проч.) - с другой. Между тем, именно выявление этих связей лежит в основе создания новых материалов. Надо ли говорить, какие сложные задачи встают в связи с этим перед химией, как расширяется для исследователя спектр исходных веществ и методов получения из них новых соединений и материалов. В технике, например, сейчас применяются многие тысячи металлических сплавов, в состав которых входит в различных комбинациях более 50 химических элементов.
Было бы наивно думать, что эти комбинации находят, как поступали средневековые алхимики, наугад смешивая и соединяя различные вещества, так сказать, методом проб и ошибок. Но не менее односторонне полагать, что в наши дни все в химии поддается предварительному теоретическому прогнозированию и математическому расчету. И хотя современная химия становится все более точной наукой, базирующейся на закономерностях, связывающих свойства вещества с их химическим составом, кристаллической структурой, природой химической связи, искусство синтеза новых химических соединений есть и будет одним из важных условий ее развития.
Надо сказать, что свойства этих соединений определяются наиболее злободневными нуждами промышленности. А они на разных исторических этапах разные. Причем, потребность в них нередко оказывается столь острой и неотложной, что ее удовлетворение означает ни мало ни много независимость отечественной экономики от иностранного капитала.
Именно так обстояло дело в первые послереволюционные годы и с органической химией в целом, и специализированными ее областями нефтехимией, химией углеводов, высокомолекулярных соединений, красящих веществ, продуктов тяжелого и тонкого органического синтеза. Переоценить достижения советских химиков тех лет практически невозможно. А ведь именно в эти годы академиком Н. Н. Семеновым формулируется теория разветвленных реакций, сыгравшая выдающуюся роль в прогрессе химии и химической технологии.
Из работ того времени в памяти людей моего поколения наиболее яркое впечатление оставили фундаментальные исследования академика С. В. Лебедева и его сотрудников по синтезу и изучению строения искусственных каучукоподобных материалов, приведшие в 1926 году к разработке промышленного способа получения каучука на основе полимеризации дивинила. Пуск и освоение в 1932 году первых в мире заводов синтетического каучука по этому методу были триумфом молодой советской химической науки и промышленности. А чуть позже, уже после войны, советские химики разработали и промышленно освоили метод получения стереорегулярных каучуков, не уступающих по качеству природным, а по некоторым показателям даже их превосходящих.
Большим научным событием в конце 30-х годов стал метод синтеза кремнийорганпческих полимеров академика К. А. Андрианова, положивший начало созданию принципиально новых высокотемпературоустойчивых масел, каучуков, клеев, электроизоляционных материалов и организации новой отрасли химической промышленности.
При активном участии ученых-химиков в предвоенные годы в Советском Союзе были созданы важные для народного хозяйства и обороны отрасли химической промышленности: анилинокрасочная, азотная, пластических масс, нефтехимическая и другие.
Как известно, революция в физике в начале XX века распространилась на химию, биологию и другие науки, постепенно захватив все сферы познания. Физика, механика, математика, астрономия открыли путь атомной энергетике, электронным вычислительным машинам и управляющим устройствам и обеспечили выход человека в космос. Но это было бы невозможно без химии, которая создает новые источники энергии и новые материалы, столь необходимые для энергетики, электроники, космических кораблей и новых машип.
Вместе с тем именно химия ставит перед производством, культурой, бытом человека еще одну кардинальную задачу - замену старых материалов и старых методов их получения и обработки на новые. Эта задача лаконично и четко сформулирована в Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года:
"Улучшить структуру и качество конструкционных материалов, исходя из задач создания новой прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направления в развитии экономики. Ускоренно развивать производство экономических видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов; расширить номенклатуру, улучшить технико-эконолшческие и повысить прочностные и антикоррозийные характеристики конструкционных материалов".
И миновать эту проблему, обойти ее каким-то окольным путем невозможно. Взять хотя бы то же машиностроение. Задачи, стоящие сейчас перед ним, общеизвестны - не только достичь уровня мировых стандартов, но и превзойти их. А что это означает?
Прежде всего создание машин, обладающих высочайшей надежностью. Проблема, как очевидно всем, не из простых. Но и не из неразрешимых, потому что складывается она из нескольких составных, каждая из которых по плечу и нашей науке и отечественной индустрии.
Первая из этих составных - материалоемкость. Конструктор, достигавший прежде наибольшей надежности машины за счет традиционного увеличения массивности, сегодня все чаще должен ее обеспечивать, используя дешевые и легкие конструкционные материалы. Кто же их даст конструктору?
Конечно же, химия. Достаточно привести всего один пример из истории Великой Отечественной войны, чтобы убедиться в правомочности такого утверждения. Вспомните тегендарный танк Т-34. Его создатели М. И. Кошкин, А. А. Морозов и Н. А. Кучеренко оснастили свое детище двигателем из... алюминиевых сплавов. Т-34, легкий, подвижный, маневренный, получил всеобщее признание как лучший танк второй мировой войны.
Вторая проблема, которую предстоит решить для достижения наибольшей степени надежности, это трение.
Здесь надо все переиначить, перевернуть, как говорят, с головы на ноги. И если сегодня именно с трением связаны серьезные тревоги машиностроителей, то завтра извечное зло может и должно превратиться в благо.
Есть, например, материалы, которые не нужно смазывать. Они и так способны побеждать трение. Их немного, пока что всего два - графит и дисульфид молибдена, но, как говорится, лиха беда - начало. Кому же по силам такое чудо из чудес?
Опять же химии.
И, наконец, третья ступень, ведущая к пьедесталу надежности, вибрация. Оказывается и ее грозную разрушающую силу можно заставить трудиться на "здоровье" машины. Опять же не без помощи химии.
В общем, решение проблемы из проблем машиностроения - высокой надежности - вполне реально, если, конечно, ему поможет химия.
И более того, достижения отечественной науки открывают перед создателями новых конструкций невиданную прежде возможность: используя современные методы расчета, заставить материалы не растрачивать в процессе работы свои прочностные качества, а становиться все более и более прочными. А это немыслимо без знания их физико-химических свойств, без конструирования деталей на молекулярном уровне. Машину сегодня, если использовать все достижения техники, можно и должно создавать супернадежную, легкую, не знающую износа.
Примеров тому немало. Взять хотя бы авиационную технику. Она и легка, и удивительно надежна. Или всем известный велосипед. Каких только конструкций его не бывает! И все в достаточной степени надежны. А вот вес у них разный. Прогулочный, например, в пять раз тяжелее трековых. В чем же дело? В том, что конструктор при создании последнего использовал мало металла и много полимерных и композиционных материалов. Но если кто-то думает, что цель применения их только в замене металлических деталей, в облегчении машины, то ошибается. Потому что с помощью новых материалов, создаваемых химией, сегодня решается прямо-таки фантастическая задача: деталь упрочняется именно в том направлении, в котором при работе она будет испытывать максимальную нагрузку.
Способ изготовления композитов для таких нужд избирается тоже соответствующий: армирующие волокна укладываются в наиболее выгодном для данной детали направлении, а матрицей служат металлы, полимеры и другие вещества и соединения. Производство материалов таким способом практически безотходно. А это чрезвычайно важно, ибо комплексное использование сырья одна из главных задач современной индустрии.
В качестве армирующих материалов в настоящее время применяются прочные волокна графита, бора, саифира, а матрицей служат легкие металлы и полимеры, карбиды и нитриды легких элементов. Над созданием таких материалов трудятся многие научные коллективы страны, а в практическом их внедрении заинтересованы все предприятия, избравшие для себя курс ускорения.
Все чаще используется в машиностроении и композит металл-резина, слоистая конструкция которого представляет собой "пирог" из тонких листов металла или проволоки и резины и прекрасно "гасит" шум и вибрацию.
Но как ни значимы, как ни важны для создания надежных машин композиты, металл все еще остается основой основ машиностроения, хотя и все чаще приобретает новые, не свойственные ему прежде свойства. В Институте машиноведения имени А. А. Благонравова АН СССР разработан, например, вибрационный способ закалки стали, резко повысивший ее прочность и пластичность.
Все чаще в металл, составляющий конструкционную основу машины, включают еще и другой низкоплавкий металл, который в случае необходимости, плавясь, заполнит образовавшуюся трещину в детали. А в результате произойдет нечто вроде самозалечивания машины.
Но еще более перспективны многослойные материалы, в которых чередуются металл и неметалл. Их теперь все чаще называют материалами Сандвичевой конструкции.
Детали и узлы, изготовленные из них, гораздо легче металлических и способны значительно смягчить динамические нагрузки.
Но не только материалы для узлов и деталей поставляет сегодня машиностроителям химия. Экономичное топливо, смазочные материалы - все это ее продукты. Если учесть, что практически все детали машины, совершающие . вращательное движение, закрепляются на подшипниках, станет очевидным, какой масштабности эта проблема. А если подшипник не подмажешь, то и с машины хорошей работы не спросишь. В общем, без смазки обойтись очень трудно.
Трудно, но все-таки нужно! И опять же этот сюрприз машиностроителям преподнесла химия, подсказав им, где именно следует искать управу на трение. Сегодня фторопластовые подшипники (а именно фторопласт-4 рекомендовала химия) почти вдвое увеличили долговечность узлов трения в мощных БелАЗах, и они же достойно представили химию в текстильной и пищевой промышленности.
Да, химия трудится в поте лица. И не только на машиностроение. Поверьте уж на слово: она действительно, как говорил М. В. Ломоносов, "широко простирает руки свои в дела человеческие". Чем глубже проникает наука в природу вещей и явлений, тем сильнее, могущественней она становится. И тем труднее, крупномасштабнее задачи приходится ей решать. А это значит, что к традиционно химическим специальностям все прибавляются новые. И нет конца этому обновлению. Вот почему призыв "мы вас ждем" и не исчезает с повестки дня.
Нет на свете науки прекраснее химии и нет профессии нужней, чем специальности химиков. Можете мне поверить, друзья!
Похвальное слово химии
Сегодня, завтра, всегда
Композиционные материалы, их свойства и особенности определяют в наши дни эффективность любых конструкций, от автомашин, самолетов до морских судов и космической техники. И это, я думаю, понятно каждому.
Но почему композиционные материалы, создаваемые с заранее заданными свойствами, нередко удивляют и разочаровывают своих творцов, ломая их замыслы и расчеты, - загадка посложнее. Причем решается она каждый раз по-своему. Однако три заданных компонента должны в ней присутствовать обязательно. Потому что среди многих свойств конструкционных материалов эти три имеют уникальное значение: прочность (способность сопротивляться растягивающим нагрузкам), модуль упругости (жесткость, которая определяет устойчивость конструкций при воздействии сжимающих нагрузок) и, наконец, плотность материала, его удельный вес.
Каждое из этих качеств не просто важно само по себе, но оно еше важно и своим влиянием на другие слагаемые уникальных свойств композита. Об эюм мы всегда обязаны помнить. Вот почему, приступая к созданию нового конструкционного материала, ученый обязательно прикинет, какие главные свойства будут в нем определяющими, и заложит в расчетах удельную прочность и удельный модуль упругости (прочность и модуль упругости, поделенный на удельный вес материала). Нужно сказать, что к качественным показахслем будущего композита предъявляются самые жесточайшие требования, и величина удельной прочности и жесткости, закладываемые в расчеты, измеряются в километрах.
Чтобы представить воочию соотношение сил, влияющих на качество проектируемого материала, вообразим свободно висящий канат. Он разорвется под тяжестью собственного веса, когда достигнет длины, отвечающей удельной прочности материала, из которого данный канат сделан.
Дело в том, что история конструкционных материалов представляет собой поиск композитов, способных в соответствующих условиях кристаллизации или аморфизации выявить оптимальные режимы их обработки и деформирования. Другими словами, конструктор стремится все к большему выражению удельной прочности и жесткости создаваемого им материала.
Но у разных конструкций свои требования к материалам. Часто очень специфичные. Еще бы! Ведь одним из них придется трудиться при очень высоких температурах.
Другим, наоборот, надо выдерживать низкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Третьим - противостоять вибрационным нагрузкам, возникновению усталостных трещин. Четвертым, наконец, предписано проявлять высочайшую коррозионную стойкость.
А это значит, что свойство материалов необходимо постоянно совершенствовать. А насколько эта работа результативна, можно судить хотя бы по таким примерам: в довоенном 1940 году прочность самых высококачественных сталей равнялась 110-130 кг/мм2, в 1985-м - уже 200-250. Произошли соответственно и изменения в прочности алюминиевых сплавов. Они сегодня обладают прочностью в 40 кг/мм2, а сплавы отдельных назначений - даже в 70 кг/мм2. Известны и данные ежегодного прироста прочности. Для стали они (за тот же период 1940-1985 годов) - 4 кг/мм2, для алюминиевых сплавов - 0,6 кг/мм2.
В общем уровень характеристик конструкционных материалов у нас в стране и за рубежом достаточно велак. У стали он, например, 25-32 километра (такова единица измерения) по прочности и 2500-2600 километров по модулю упругости, примерно такие же показатели и у алюминиевых сплавов.
Достаточно сопоставить эти числа, чтобы выявить нечто парадоксальное: показатель по модулю упругости и для стали, и для алюминиевых сплавов один и тот же.
Практически так на самом деле и есть. Удельный модуль упругости всех металлических сплавов (кроме сплавов бериллия) не превышает 2500-2600 километров.
Дело в том, что модуль упругости - "орешек" крепкий. Его не одолеть ни термической обработкой, ни деформационными изменениями. Другими словами, все технологические приемы, перед которыми "пасует" удельная прочность, применительно к модулю упругости оказываются бессильными. Но почему же в таком случае возник широко известный парадокс: даже самые высокие прочностные достоинства материалов не гарантируют столь же высокой надежности конструкций? Более того, у них появляются новые пороки, не проявлявшиеся ранее, когда использовались менее прочные конструкционные материалы? Увеличивается, например, чувствительность к концентрации напряжения, когда какая-то часть изделия испытывает большие нагрузки?
Но какая же конструкция обходится без таких концентраций? Просверлили отверстие - сконцентрировали напряжение. Изменили сечение конструкции опять же рискуете вызвать "бунт" напряжения. А под его воздействием быстрее возникает коррозия, проявляется опасность трещин.
Тем, кто помнит довоенное время, хорошо знакомо, например, слово "дюралюминий". Для большинства именно с названием этого сплава ассоциируется появление в магазинах страны посуды, хозяйственного инвентаря, сделанного из легкого практичного материала.
Для ученых с дюралюминием связаны несколько иные воспоминания. Он первая удачная попытка упрочения алюминия. Легированный медью и магнием металл и давал сплав, поражающий всех своей прочностью - 40 кг/мм2. Казалось бы, чего же желать лучше? Используй по своему назначению дюралюминий хоть в технике, хоть в народном хозяйстве! Но такова уж жизнь, что остановок в ней не бывает. Если прочность дюралюминия уже 40 кг/мм2, то почему не получить и еще более прочный сплав?
Вероятно, примерно так рассуждали химики и металлурги того времени. Тем более что развивающаяся техника и промышленность остро нуждались в сверхпрочных сплавах. А к повышению прочностных характеристик, казалось бы, нет препятствий. Стоит в алюминиевые сплавы, легированные медью и магнием, ввести дополнительно цинк (при этом, конечно, изменить процентное содержание меди и магния), как прочность их удвоится. Но то - теория. Что же получилось на практике?
Изготовленные в те годы по новому способу сплавы растрескались еще в складских помещениях металлургических заводов, так и не попав к потребителю. Почему?
Все по той же причине: сплавы погибли от коррозии под напряжением. А ее спровоцировала обычная влажность.
Но сколь ни печальна оказалась попытка упрочения алюминиевого сплава, именно она привела исследователей к выводу о том, что необходимо искать так называемые добавки - стабилизаторы. Ну и, разумеется, совершенствовать режимы термической обработки сплавов.
Итогом всех этих поисков явилось понижение склонности алюминиевых сплавов к коррозии под напряжением.
Конечно, исследования в данном направлении велись не год и не два. Причем в разных странах они нмели своп особенности, С историей одного из них и связана трагедия американских самолетов "Мартин-202".
Машины данной конструкции преследовали поистине роковые "случайности": в полете на большой высоте у них обрывались крылья. Однако самые тщательные анализы компетентнейших комиссий, проверявших конструкцию самолета, так и не нашли в ней изъянов. Очень скоро, однако, о себе заявили во всеуслышанье непредвиденные, необъяснимые происшествия и с истребителями "Скорпион". И опять ученым и экспертам пришлось взяться за кропотливую работу. Что же выяснилось?