Техника - молодёжи 1971-11, страница 10

например в растворе поверхностно-активного вещества, прочность кристаллов резко понижалась по сравнению с той, какую они имели на воздухе.

Тут было над чем задуматься. Совершенно незначительная добавка химически неактивного препарата, который не разъедает и не растворяет кристалл, каким-то путем заставляет его в значительной мере терять прочность.

Несколько слов пояснения. Явления, подобные тем, что стал изучать Ребиндер, наблюдали очень давно. Но над ними или совершенно не задумывались, или считали их химическими процессами.

С незапамятных времен люди смачивают точильные камни, много столетий известен мокрый помол руды. Разломить кусок сахару руками почти невозможно — нужны щипцы. Но тот же кусок, смоченный каплей во-ды, легко распадается на части. В дальнейшем оказалось, что подобные явления бывали причиной катастрофических поломок машин. Например, металловеды знали, что смачивание ртутью выводит из строя латунные изделия, а стальные детали ломаются в местах, где расплавляется нанесенный сверху припой. Именно поэтому расплавление подшипников неизменно сопровождается появлением трещин в осях железнодорожных вагонов.

Эти явления казались совершенно необъяснимыми. По всем классическим законам сопротивления материалов детали не могли столь резко терять свою прочность.

Для объяснения механических парадоксов нельзя было призвать на помощь и химию: никаких химических реакций, способных разрушить металл, не происходило. Словом, непонятные явления как бы бросали вызов теоретикам. Логика вещей требовала какой-то новой, необычной гипотезы. И П. Ребиндер такую гипотезу предложил.

Если именно расплавы и растворы понижают прочность твердого тела₁ значит на границе тела происходят изменения, влияющие на его объемные свойства. По-верхностно-активные вещества (ПАВ) как раз таковы, что они особенно сильно притягиваются, или, как говорят, адсорбируются, поверхностями твердых изделий. Адсорбция односторонне изменяет энергетический баланс на границе тела и уменьшает работу, необходимую для образования новых поверхностей в развивающихся трещинах.

Но ПАВ не разъедают материалов и не оказывают на них коррозионного действия. А для разрушения твердого тела достаточно самого малого количества ПАВ. Даже такого количества, которое необходимо, чтобы покрыть вновь образующуюся поверхность слоем толщиной в одну (одну!) молекулу. Прочность — объемное свойство тела, а влияющий фактор сосредоточен на поверхности. Такое объяснение вначале казалось невероятным.

П. Ребиндер: Выступая перед Ланжевеном и ленинградскими физиками, я рассказал не только об опытах, но и о своих первых попытках объяснить их результаты. Именно адсорбция представлялась мне подлинной причиной понижения прочности. Разрушению материала, сказал я, предшествует появление в нем трещин — другими словами, возникновение новых поверхностей.

Вопросы, которые мне задали Ланжевен и Иоффе, свидетельствуют об их удивительной способности быстро проникать в самую суть проблемы. Французский физик, в частности, спросил: «А как совмещаются во времени и пространстве два процесса — адсорбция и возникновение новых поверхностей? Ведь молекулы ПАВ могут налипать, казалось бы, только на готовую плоскость. С другой стороны, ПАВ должны снижать избыточную энергию той поверхности, которая еще будет развиваться».

Такая постановка вопроса напоминала древний логический парадокс: яйцо от курицы или курица от яйца? В самом деле, надо было выяснить, что происходит раньше — адсорбция или появление новой поверхности?

Как взаимосвязаны эти два явления? Ответы были даны в результате работ большого коллектива ученых.

Кратко итог исследований можно выразить такими словами. ПАВ способны вызывать сколь угодно значительные понижения прочности, если по мере развития новой поверхности атомы ПАВ успевают проникать в трещину и покрывать тончайшим адсорбционным слоем всю новую поверхность при самом ее образовании.

Теперь известно: не только у металлов и других кристаллических тел, но также у стекол и полимеров прочность понижается под влиянием ПАВ. У эффекта Ребиндера неограниченная сфера действия. Практически любые жидкости, даже вода, могут выступать в роли поверхностно-активных сред.

Видный английский ученый Д. Бернал в книге «Общественная роль науки» (1939 г.) писал по поводу работ Ребиндера: «Советская наука способна освещать повседневные явления, которые раньше никогда не затрагивались исследователями... Эти работы проливают свет на ход процессов, которые известны со времен каменного века, но до сих пор не рассматривались наукой».

П. Ребиндер: Не касаясь деталей развития теории — а из нее как плод общих усилий выросла новая область науки, физико-химическая механика, — укажу лишь на одно обстоятельство. Когда в 30-х годах шли споры об эффекте действия ПАВ, трудно было предвидеть, что полная разгадка его природы поможет не только тем, кто занят дроблением веществ, бурением скважин, металлообработкой, но и тем, кто создает особенно надежные строительные и конструкционные материалы.

Теперь мы знаем: в структуре всех твердых тел есть множество дефектов, изъянов, или, как их называют, слабых мест различного порядка. В среднем на каждую сотню правильно и плотно упакованных атомов или молекул попадается один изъян, где расстояния между соседними атомами увеличены, а силы сцепления ослаблены — ведь силы сцепления резко убывают с увеличением расстояния.

Что можно сказать о цепи, у которой на сотню стальных звеньев приходится одно бумажное? Конечно, она будет рваться по бумажным звеньям, именно они будут определять стойкость цепи как целого. Наше сравнение хотя и упрощает, но в своей основе верно обрисовывает разницу между реальными и идеальными твердыми телами. Когда все бумажные звенья разорваны, прочность получившихся отрезков станет предельно высокой.

Тонкое измельчение твердого тела — а оно разрушается как раз по наиболее слабым местам структуры — дает высокопрочные зерна. Если их плотно упаковать, предельно сблизив друг с другом, чтобы не осталось пор и пустот, и хорошо склеить, то получим материал с механическими свойствами почти идеальными. К созданию таких материалов ведут и другие пути, но этот, пожалуй, самый неожиданный: он ведет через разрушение Ныне необычная технология приобретает особое значение в производстве цементного бетона и асфальтобетона.

Теперь найдены условия, когда ПАВ способствуют измельчению, облегчают его и удешевляют столь трудоемкий процесс. Известны приемы, защищающие детали машин и конструкций от адсорбционного понижения прочности. Раскрыты многие тайные смазки. Десятки специалистов развивают и углубляют идеи физико-химической механики. Ее положения вошли в учебники. И я с чувством благодарности вспоминаю имена великих физиков — А. Иоффе и П. Ланжевена, чье внимание, поддержка и плодотворная критика так помогли нам в самом начале этих работ.

И сегодня в спорах о ценности новейших научных идей, иногда не вполне ясных даже самим их авторам, исследователи всех возрастов и рангов нуждаются в критике, образцы которой не раз давали и Ланжевен и Иоффе. Именно в этом смысл моего сжатого рассказа о поверхностных явлениях.

8