Глазами Монжа-Бертолле

Подобные фокусы хорошо знакомы и металлургам. Например, нельзя получить сплав вольфрама и меди нагреванием: медь испарится раньше, чем расплавится вольфрам. Приходится идти окольным путем. Смешивают порошки обоих компонентов. Удар штампа — «слиток» готов. К сожалению, методы порошковой металлургии не годятся в технологии полупроводников. Они дают материалы с зернистой структурой. А нам нужны однородные монокристаллы.

Правда, не все соединения оказались отпетыми, «неподдающимися». Например, для GaAs, GaSb, GaP, InAs, InSb, InP, а также AsSb зонная плавка и вытягивание монокристаллов все-таки удаются. Однако и здесь летучесть второго компонента чинит препятствия технологам. Чтобы разработать метод получения или очистки такого соединения, приходится до тонкостей учитывать все его капризы. А это просто немыслимо без детального изучения двойных систем методами физико-химического анализа.

В диаграммах состояния, помимо концентрации и температуры, появляется третья переменная величина — давление паров летучего компонента. Для каждого давления строится свой график. Вот бы удалось получить непрерывную последовательность диаграмм для всех возможных значений давления! Тогда мы бы увидели яркую иллюстрацию типичных топологических преобразований, когда горный пейзаж постепенно исчезает, уступая место одной из своих половин — «чайке». Точь-в-точь как у Льюиса Кэрролла в его книге «Алиса в стране чудес»: «Кот исчезал очень медленно, начиная с кончика хвоста и кончая улыбкой, которая оставалась еще некоторое время после того, как остальное скрылось»…

Для практических нужд обычно бывает достаточно серии из нескольких картинок отдельно для каждого случая. По ним, как по кинокадрам, можно представить себе и промежуточные состояния. Анализ состояний системы помогает выбрать наилучшие условия для синтеза и очистки этих соединений.

Вот одна из физико-химических уловок в приручении непокорных полупроводников.

В запаянной ампуле, из которой тщательно удален воздух, два мелкокристаллических вещества — фосфид галлия и йод. Ампула нагревается, только неравномерно. Тот конец, где йод, слабее. Но так, чтобы он все-таки мог возгоняться. В горячей зоне начинается реакция 4GaPтв + 2J2газ→4GaJгаз + P4газ.

Она идет с поглощением тепла. Пары легколетучих продуктов распространяются по всему объему сосудика. У более холодного конца ампулы процесс идет в обратную сторону, уже с выделением тепла: 4GaJгаз + P4газ→4GaPтв + 2J2газ.

А пары йода отправляются за новыми порциями фосфида. Кристаллы фосфида галлия, образованные из паров, гораздо крупнее исходных. Так с парами йода вещество переносится из одного конца ампулы в другой, улучшая свои полупроводниковые свойства. Недаром подобные реакции называются «транспортными».

Перед нами очередной прием, в котором блистательно реализованы идеи учения о фазовых и химических равновесиях, лежащие в основе физико-химического анализа. И где только эти идеи не получают своего блистательного воплощения! Пожалуй, нет такой области в науке и технике, где бы не звучал язык курнаковской топологической химии.

Прочность… Проблема номер один современной техники. Сколько еще надо сделать, чтобы окончательно освободить человека от власти слепых стихий!

Яростные судороги землетрясений еще способны низвергнуть любые постройки, возведенные человеком. Коварные тараны подводных рифов и плавучих ледяных глыб еще страшны для самого крепкого борта. Не всегда выстаивают мачты и провода под свистящим напором урагана. Не каждая плотина выносит настойчивые удары волн. Лопаются тросы, трескаются трубы, ломаются рельсы, рушатся колонны. Поневоле приходится придавать конструкциям массивность, фундаментальность. Неужели так будет вечно?

Если бы прочность материалов возросла вдруг в сто раз! Гигантские сооружения стали бы из массивных ажурными, воздушными, тонкостенными. В самое небо уперлись бы здания-иглы в сотни этажей. Над водой повисли бы изящные полупрозрачные фермы мостов. Автомобили, самолеты, экскаваторы можно было бы переносить хоть на руках. Вот только многие машины пришлось бы привязывать к колышкам, чтобы порыв ветра не погнал их по земле, как перекати-поле.

Сколь бы нереальным ни выглядел этот фантастический этюд, он принадлежит не писателю-фантасту. Ученому. Известному специалисту в области физико-химической механики академику Ребиндеру.

— Представьте себе цепь, — говорит Петр Александрович, — только не совсем обычную. В ней примерно на каждые сто стальных звеньев приходится одно бумажное. Прочность такой цепи определяется свойствами именно самых слабых звеньев. Нечто подобное наблюдается и в структуре твердых тел.

Примерно каждое сотое расстояние между соседями по кристаллической решетке больше остальных, одинаковых. Дислокации и есть те слабые звенья, из-за которых реальная прочность материалов в сотни раз ниже, чем у идеальных — воображаемых бездефектных твердых тел.

Железо. Ковкий тягучий металл. Проволочка из него выдерживает всего 20 килограммов на квадратный миллиметр. В десять раз меньше, чем стальная. А если приготовить кристаллы чистейшего железа без геометрических изъянов, они будут в десять раз прочнее стали! И такие кристаллы-иголки (их называют «усами») уже получены в лабораториях. Получены физико-химическими методами — осаждением железа из газовой фазы. К сожалению, пока они слишком крохотны, эти «усы». Их увидишь лишь под микроскопом. Но разве не с малого начинается великое?

Правда, академик Ребиндер считает самым обнадеживающим иной путь. К прочности — через разрушение! Парадокс? Ничуть. Сначала расколоть твердое тело по всем дефектам. Оно распадется на отдельные куски, словно стальная цепь с разорванными бумажными звеньями. А теперь сцементировать кусочки тончайшими прослойками высокопрочного клея.

Давно известно, что тонкие нити, пленки или просто мелкие зернышки, размеры которых примерно равны расстояниям между дефектами, всегда гораздо прочнее, чем массивные глыбы того же материала. В крупных кусках больше слабых звеньев. Вот почему будущее принадлежит материалам, составленным из множества тончайших волокон, пленок, зерен.

Можно обойтись и без специального клея. Надо только очень плотно упаковать крупинки, чтобы они притерлись, приноровились друг к другу. Для этого мелкозернистую массу прессуют. И спекают — нагревают до температуры чуть ниже точки плавления.

Мелкозернистые структуры возникают и при кристаллизации из жидкости.

Бетон. Самые высокие здания, самые большие плотины, самые лучшие шоссе построены из него. Между тем этот материал может стать намного прочнее, если умело управлять процессами отвердевания цемента. Этим нелегким искусством овладевают ученые с кафедры коллоидной химии МГУ, руководимой Петром Александровичем Ребиндером.

При замешивании с водой цемента и его ближайших сородичей: негашеной извести CaO и полуводного гипса 2CaSO4·H2O — образуется густая паста. Твердые частицы начинают растворяться в воде. Образуются новые химические индивиды — гидраты. Например, гидраты силикатов и алюминатов кальция из обычного портландцемента. Двуводный гипс CaSO4·2H2O из полуводного. Гашеная известь Ca(ОН)2 из негашеной. Эти предельно оводненные соединения менее растворимы в воде, чем те вещества, из которых они образовались. Раствор по отношению к ним оказывается пересыщенным. Поэтому гидраты выкристаллизовываются из него. Появляются мельчайшие крупинки-зародыши. Их мириады. И они растут, слипаясь в рыхлую поначалу массу, этакое пространственное кружево. А порошок вяжущего вещества (скажем, цемента) не перестает растворяться. Раствор все время остается пересыщенным. Кристаллизация продолжается. Рыхлая структура становится плотнее и плотнее. И так до тех пор, пока все первичные крупицы не «перегонятся» через раствор, превратившись в более устойчивую форму — кристаллогидратную.