Что лежит на поверхности

Не лучше ли сразу высказать рискованный каламбур, возникший при знакомстве с наукой о поверхности? Химики-поверхностники обладают самыми неповерхностными знаниями о том, что лежит на поверхности. На ней чаще всего в буквальном смысле слова лежит многое.
Вероятно, нет наук, не задумывающихся о своей истории. Поверхностники нашли в прошлом факт пристального взгляда на кусочки древесного угля. Еще в конце восемнадцатого века некоторые ученые наблюдали, с какой потрясающей жадностью угольки поглощают газы. Почему? У кусочков активированного угля феноменально развитая поверхность, он весь пористый, как бы состоит из одних поверхностей, которые активно, но в то же время выборочно притягивают газы. Оттого-то и применил известный русский химик Зелинский активированный уголь в противогазе. Хрестоматийный случай использования знаний о поверхности на практике.
Польский юморист Ежи Лец оставил нетленную остроту (ее можно бы повесить у входов в научные лаборатории): «Скользить по поверхности можно только в балете на льду!» Автор этого очерка надеется привлечь внимание молодых пытливых исследователей из разных областей науки и техники к науке о поверхности, позвать их принять участие в долгожданном штурме тайн  природных явлений, попавших в круг формирующейся дисциплины.
Теперь в химическом стакане или в банальной колбе ученые делают не столько науку, сколько заваривают чай и готовят кофе. Химию и физику помогает совершенствовать поистине могучая лабораторная техника. Мне показывали редкий снимок. Ошеломляющее впечатление производит фотография проектируемой установки неразрушающего контроля поверхности!.. Ее смонтируют в здании высотой, по меньшей мере, с двухэтажный дом, она будет вся облеплена, словно космический корабль перед стартом, электронными блоками и прочими вспомогательными устройствами, заглядывающими куда-то в середку этого инженерного сооружения. Мне поясняют: там, внутри установки, в камере, будет помещаться обычно либо целая машина (она, как правило, изготовлена в единственном экземпляре) или туда введут вал быстроходной турбины, который никак не тоньше столетней сосны. Сколько может стоить такая богатырская установка? Мне отвечают: вероятно, не один миллион. Да еще и создать ее далеко не просто. Техника сверхдефицитная. К сожалению, зачастую импортная.
Зачем нужно так придирчиво, применяя различные методы спектроскопии, осматривать машину, пусть и уникальную, или тот же вал турбины? Чтобы машина безупречно работала. Слишком большие надежды на нее возлагают, отправляя ее, допустим, в космос. Ну, и чтобы турбина не подвела. Она не велосипед, не мясорубка, стоит весомо, ее нельзя бесперечь ремонтировать. А представьте, даже легкая, этакая кошачья царапина на гигантском валу может обернуться гибельной трещиной. Бдительность на строгой научной основе, а не на интуиции надо проявить ОТК, который выпускает в свет не утюги, а дорогие и крупные детали ответственных машин. Их пуск инженеров волнует не меньше, чем премьерный спектакль актеров.
Конечно, такие мощные установки неразрушающего контроля нужны также и для самой науки о поверхности.
Ее долг из практических наблюдений сделать теоретические выводы. Мы привыкли к тому, что ядерщики эксплуатируют непредставимой силы научные приборы — ускорители, синхрофазотроны. Нам еще предстоит привыкнуть к гулливеровским приборам поверхностников, которые должны воочию увидеть то, о чем размышляют. В этом им помогают спектроскопы, это они заглядывают вовнутрь установки неразрушающего контроля.
В природе нет идеально чистых поверхностей. На них всевозможный микросор, в поры исследуемых предметов проникают газы, вода. Этот грязный слой перед анализом должен быть убран. Щетка не поможет. Проводится ионная бомбардировка (кстати, это не метафора, а научный термин), чтобы согнать пестрый, если его проверить по таблице Менделеева, легион атомов-пришельцев с оккупируемой ими поверхности. Сей метод радикален, хорош, но и у него есть недостаток: свойства поверхности при бомбардировке искажаются ионами.
Действуют еще и так. В вакууме образец ломают и смотрят свежий излом. Но природа ни на мгновение не смыкает очей, не дремлет, трудится без раздумий. На изломе в течение часа, хотя тут и глубокий вакуум, межзвездный, появляется остаточный кислород, образуется монослой. Природа не терпит чистоты, неравновесия. Она виртуозно смешивает вещества повсюду, добиваясь равновесия. В этом ее творчество, % ее производительные силы. Кислород всеяден, вездесущ. Никого и ничто не оставляет в покое, расшевеливает. Оттого-то не встретить в природной обстановке чистых металлов, это — чаще всего оксиды. Все окисляется. Правда, не всегда это плохо с практической точки зрения. Скажем, алюминий, окисляясь, защищает себя от более серьезного разрушения возникшей пленкой. А нам пленка кислорода на изломе образца никак не нужна. Она помеха при изучении переломленного в вакууме образца.
Изучение поверхности твердых тел напоминает обследование Марса. И в том и в другом случае нельзя разглядеть подробности невооруженным глазом. Астрономы нацеливают на планеты Солнечной системы телесколы. Поверхностники вглядываются в образцы с помощью оптического или растрового микроскопа, используя спектральные методы анализа.
Итак, что же там, на поверхности корунда? Микрорельеф удивительно многолик: видна слоистость, блоки, четырех- и трехгранные ямки, ромбоиды, пирамиды и другие своеобразные структуры. Парад геометрии! Неведомая планета на лабораторном столе. Наблюдение идет словно бы с борта космического корабля. Но есть ли что-нибудь типичное для корундовой поверхности? Или природа демонстрирует изящные импровизации? Есть! Это характерные сколы кристаллов, ручьистые, как овраги, узоры, волнистые линии, ступени. Это все? Да. Сенсационных открытий пока не состоялось. Проведена очередная черновая работа. Идет накопление сведений. Наука должна знать, что лежит на поверхности всех материалов, в той или иной степени важных для техники. Иначе как склеивать одну поверхность с другой, не зная свойств микрорельефа?
Как видите, поверхностники вооружены самыми тонкими методами исследований и сложной научной аппаратурой. Однако масштабное конструирование ее в стране лишь разворачивается. Уральский научный центр организовал в Устинове физико-технический институт, там будут изобретать технические средства для изучения поверхности твердых тел. Чтобы не покупать фантастически сложные и дорогие установки за границей.
Так что же потянуло уральский росток новой науки вверх, какой социальный заказ выполняют физики и химики? Доктор химических наук, заведующий лабораторией поверхностных явлений Института химии УНЦ Владимир Иванович Кононенко знакомит меня с уральской программой «Поверхность». Организация науки — тоже наука. Чрезвычайно необходимая, продуктивная. Тут сильные таланты не менее нужны, чем ведущим отраслям науки способные физики, математики.
1979 год — веха в истории академической науки. Президент А. П. Александров сформулировал тогда руководящую мысль о прямом выходе академии, на решение накопившихся проблем промышленности. Нет, ученых он призывал не для оперативного вмешательства. Речь шла в его докладе об усилении влияния академической науки на экономику. В стране около 1 миллиона 400 тысяч научных работников. В вузах — полмиллиона, в академии — 50 тысяч. Остальное — отраслевые институты. Самый большой сектор отечественной науки, но не самый результативный… Ему предъявили претензии. Отраслевики (не все, разумеется) склонны решать мелкие проблемы, крупные-—тормозили промышленность. Вероятно, тут без психологии ничего не объяснишь. Отрасль выполняла план, отраслевой институт помогал ей в этом. Все в порядке, все премированы. Заводы и институты довольны друг другом. Но ведь отраслевая наука имеет еще одну цель: решительно двигать производство по пути прогресса.
Ныне академия, ее филиалы и центры,— главный координатор науки. Точнее, становится им. В такой исторической ситуации мы рассказываем про науку о поверхности. У нее необозримый фронт работ. Хотя бы в борьбе с коррозией. Размах антикоррозионной борьбы титанический. Страна ежегодно производит 150 миллионов тонн стали; в это же время коррозия успевает съесть десятую часть. Металл безвозвратно гибнет во всех средах. Значительный объем составляют косвенные потери — в процессе металлообработки, транспортировки и т. д. Оптимистический прогноз: наука уже теперь может спасти 10 миллионов тонн стали! Какими способами?
Путем защиты металлов. Скажем, порошковые покрытия… Они держатся четверть века. Ресурс машин при этом увеличивается до пяти раз. Повышение срока службы машин в несколько раз эквивалентно такому же увеличению мощности машиностроительных заводов. Не доказательство ли это того, что наука о поверхности воодушевляюще практична! Хорошее исследование свойств поверхности может Дать большой экономический эффект. Поэтому академическая наука выводится впрямую на промышленность и уже решает ее давние проблемы.
Владимир Иванович Кононенко спросил меня, как студента-первокурсника, видел ли я волокна графита. Я отшутился, что тоньше грифеля в карандаше, пожалуй, не видел. Он положил тогда передо мной пучочек волоконцев, похожих на влажную прядь волос, упавших с головы брюнета из-под парикмахерских ножниц. Каждое волоконце столь тонко (от 5 до 10 микрон), что, глядя на него, теряешься — одно ли оно или сплелись, два-три? На что могут сгодиться эти эфемерные паутинки? Их как арматуру заливают смолой или металлом и получают исключительно прочный материал класса углепластиков, так прославившихся в последнее время. Из них, углепластиков, можно изготовить тормозные колодки, испытывающие адские нагрузки при посадке самолета. Право же, сногсшибательные сочетания в современной технике: графитовые нежные паутинки и многотонный летательный аппарат. Они не менее неожиданные, чем сочетания слов в новаторской поэзии Андрея Вознесенского. Корпус американского корабля системы «Шатл» держат именно углепластики. Однако графитовые паутинки, летающие в среде химиков как экзотика, нам были нужны лишь для того, чтобы показать, как специалисты творят детали с невиданными прочностными характеристиками. Владимир Иванович далее знакомит с тем, чем занимается его лаборатория. Как известно, Уралмаш выдает крупную технику — шагающие экскаваторы, дробилки, буровое оборудование и другие агрегаты большой мощности. Пары трения, суставы этих мастодонтов солидные. Как их делать надежными? Из легированных сталей? Дорого. А можно конструктивную сталь защитить износостойким покрытием, антифрикционным сплавом.
…Лет десять назад ученые Уралмаша пригласили в гости журналистов, пишущих о науке. Вопросы случайные, дежурные, быстро прошли, и пресс-конференция переросла в горячую дискуссию. Журналисты, а среди них были и с техническим образованием, наседали на многоопытных конструкторов по сути с одним: до каких пор завод будет отчитываться перед министерством по весу машин? Конструкторы, отвечая,. напоминали о российских традициях делать «толстокожие» машины с большим запасом прочности, в расчете на их ремонт с кувалдой в руках, на суровый климат и т. п.
Наука о поверхности — верится — облегчит появление нового поколения машин мощных и более надежных, более легких. В них не будут использовать легированную сталь в полном объеме, на всю толщину, а детали станут делать из черновой стали с покрытием. Менее металлоемкие машины — это и техническое, и социальное достижение, потому что нельзя брать металл без оглядки, поскольку он не с луны падает, а ради него мы терзаем матушку-землю, ухудшаем незаменимую сферу обитания человека. Гордость за тяжелые машины становится антисоциальной, конструкторы обязаны мыслить экологически. Грядет новый критерий труда машиностроителей. Не по различным затратам (металла в том числе), а по ресурсу изготовленной машины, которая обязана отработать гарантированный срок, желательно и без ремонта.
Еще пример внедрения идеи поверхностников. Уязвимая конструкция: загрузочное устройство домны. Оно быстро снашивается, глотая острогранную шихту, а не сметану; шихта безжалостно царапает поверхность загрузочной воронки. УНЦ и Уралмаш выполнили научно-техническую работу. Теперь металлическая поверхность защищена износостойким покрытием. И в одной доменной воронке, отправленной с Урала в Кривой Рог, перестали исчезать ежегодно сотни тысяч рублей. Заметим, что износоустойчивые воронки пытались разработать и другие материаловеды. Словом, проблема была с длинной бородой. С ней справились свердловские поверхностники, отыскав из 106 элементов Периодической системы единственный, который, говоря языком химиков, лучше связал защитный слой. Какие еще покрытия поверхностей предлагают уральские ученые? Повышение износостойкости деталей машин достигается, к примеру, методом плазменного напыления особых порошков на сталь. Для прочности сцепления такого покрытия с поверхностью детали его обрабатывают лазерным лучом. Тут сошлись сразу три знаменитости в мире техники: плазма, лазер и металлический порошок. Результат? Износ покрытий при определенном на них давлении и определенных скоростях скольжения «практически отсутствует». Эти слова взяты в кавычки не для того, чтобы смягчить гиперболу. Они процитированы, соответствуют действительности.
Электрический кабель защищают стальной бронелентой. А что ее спасет от алчной коррозии? Традиционные цинк-битумные покрытия. Увы, случается, новый кабель выходит из строя уже через два-три года. Цинк беспрерывно растворяет грунтовая вода, а во влажном воздухе на бронеленте неминуемо появляются язвы. Уральцы рекомендуют прятать кабель в полиэтиленовую пленку. Так вернее. Показали испытания.
Гидросооружения на Камском море периодически, через одну-две навигации, красят. Одна перекраска обходится недешево — 130 тысяч рублей. Химики продлили срок службы конструкций вдвое. Шлюзы работают надежнее, меньше ржавеют. Строится Пермская гидроэлектростанция. Она уже будет одета в более долговечные одежды.
Пора от циклопических машин и гидросооружений перейти к микротехнике. Она в неменьшей степени характеризует век. Слово «электроника» звучит, как музыка. Она и впрямь умножила силы человечества. Без нее немыслим уже ни быт, ни промышленность. Ей повинуются разнообразные машины в воде, на земле и в воздухе. И, значит, первейшее требование к ней — быстродействие и надежность. Она должна посылать неискаженные сигналы и быстро обрабатывать информацию. Непогрешимых людей нет, но они создают надежные электронные устройства. Сигналы, пронизывающие поверхности схем* обязаны управлять машинами-исполнителями строго по программе. Наконец, только электроника может поставить в ряды неутомимых работников промышленных роботов.
В Академии наук СССР организовано отделение «Информатика, вычислительная техника и автоматизация». Его возглавляет вице-президент АН СССР академик Е. П. Велихов. Еще в академии создан научный совет «Физика, химия и механика поверхности» и с таким же названием программный комитет. Его возглавляет Е. П. Велихов. Там и там — физик? Это объясняется тем, что уровень развития вычислительной техники в нашей стране отстает от передовых зарубежных достижений ее теории. Физика призвана закрепить на деле достижения математики. Нужен рывок. Чтобы поискать в большом количестве вычислительные устройства, требуются обширные знания о материалах, годных для их изготовления, нужна современная техника получения их в виде тонких пленок или покрытий. Опять взоры обращены к поверхностникам. Они могут обеспечить элементную базу. Изучить, как ведут себя свободные поверхности деталей электроники. Можно сказать: мало придумать новый материал, труднее узнать, как его поверхность будет взаимодействовать со средой. Следствия внешних воздействий надо предвидеть. Хороша была бы эволюция, если бы стеклянные крылья древнейших обитателей земли стрекоз таяли от лучей солнца. Нельзя думать, чтобы неторопливая природа, устраивая историческую судьбу летающих насекомых, упустила бы хоть один существенный фактор среды. У природы системный подход, грубых ошибок у нее нет или совсем нет. По таким основательным законам должна создаваться и микротехника.
Вслед за Академией наук и Уральский научный центр организовал научный совет «Физикохимия поверхности». Во многом он озабочен делами в области материалов для микротехники. Нужно преодолеть инерцию мышления исследователей, что предлагают новый материал, не поразмыслив над свойствами его поверхности. К тому же в электронике сама поверхность, тончайшая пленка становится автономным материалом, деталью. Профессор Уральского политехнического института Г. А. Китаев и его коллеги занимаются как раз получением полупроводниковых материалов в виде тончайших пленок. Эти невесомые пленки столь же драгоценны, как новоизобретенный механизм, облегчающий ручной труд. Пленки скрупулезно выращивают, осаждая, к примеру, сульфиды кадмия или свинца так, чтобы кристаллы, как по команде, ложились строго параллельно подложке. Химики прошлого не смели мечтать о таком управлении веществом в пространстве.
Не на любую поверхность все можно нанести. В устах поверхностников это звучит как афоризм. Простейшая иллюстрация. Силикатный клей плохо клеит бумагу к оргстеклу. Тут адгезия (сцепление) скверная. Не происходит диффузии, взаимопроникновение стекла и клея отсутствует. И стоит выгнуть лист— приклеенная бумага отскочит. Чтобы ощутить, с какими трудностями сталкиваются химики, соединяя одно с другим, рассмотрим еще что-нибудь попроще. Те же наждачные шкурки. Это — песок с клеем на хлопчатобумажной ткани. Идут десятилетия, а специалисты не удовлетворены тем, как держатся песчинки в клее. На Волжском автозаводе кузова автомобилей перед окраской драят вращающимися кругами, на которых, словно листки отрывного календаря, часто-часто наклеены лепестки наждачной шкурки. Что же, недешевые лепестковые круги менять чуть ли не каждую смену? Приходится. Одними руками много машин не подготовишь к окраске. Видите, не придумана пока долговечная наждачная бумага. Насколько же сложнее  нанести кристаллы свинца на подложку, чем приклеить песчинки?
Успехи науки о поверхности радуют, радостью хочется поделиться. Еще две идеи. Они обсуждаются в кругу специалистов. Обе соорнентированы на сельское хозяйство. Не только в промышленность смотрит новая наука.
Эта забота стара, как мир, забота о лемехе. Теперь она к тому же усугублена тем, что скорости пахоты растут и лезвие лемеха в ряде случаев истирается за день. Точить его, как косу, не имеет смысла. Изменится почти наверняка конфигурация, и он иначе станет отваливать почву. Химики подумали о его защите износоустойчивым веществом. Но вещество — это еще не материал. Его требуется соединить^со стальным лемехом и, возможно, с помощью плазмы вогнать в поверхность стали? Получим износостойкое покрытие. Увы, оно весьма тонкое. Его хватит тоже ненадолго. А если толщину покрытия увеличить за счет клея, сплава-связки? Это уже обнадеживает. Такова логика поиска упрочнения кормильца-лемеха…
А вот этот эксперимент озадачил даже искушенных химиков. Ультратонкий порошок цинка добавили в малой дозе в пищу коровам. Чудо: они стали быстро прибавлять в весе! «Неудивительно,— пошутили скептики,— если корову кормить железом, она, конечно, мгновенно станет тяжелой». Шутки шутками, а что же произошло? Предварительное объяснение. Ультратонкий порошок имеет большую поверхность (до нескольких сотен квадратных метров на 1 грамм). Возможно, он прекрасный катализатор разложения органических веществ. Тогда, естественно, порошок резко усилил усвоение кормов. Так ли это — время покажет. Может, все не столь просто. Даже поверхность вод*?! в стакане обманчива, оказывается, чем ближе к ней, тем количество молекул на единицу объема будет меняться. А ведь очевидно как будто бы, что в стакане вся вода одинаковая. Будем надеяться: химики разберутся, почему так волшебно действуют на коров мельчайшие порошинки цинка.
Мир состоит из плоскостей. Нам не все равно даже то, какова поверхность сковороды, если на ней все пригорает. И специалисты, в данном случае из научно-исследовательского института черных металлов (Свердловск), предлагают покрывать сковороды фторопластом. Пригар исчез. Хоть чуточку, но жизнь людям облегчена. Помогли знания о поверхности. Поверхностники думают, как облегчить труд, к примеру, буровиков. При бурении крепких пород в них под давлением вводят поверхностно активные вещества, и монолит растрескивается, бур легче вгрызается. Дела у буровиков идут веселее.
В машине трутся вращающиеся детали. Они сделаны из разных материалов и активно изнашивают друг друга. Как их помирить? Научные сотрудники Института химии УНЦ изобрели эпилам (жидкость, похожая на слабо заваренный чай), и он значительно уменьшил трение в узлах машин. Наука о поверхности продлила срок жизни машин.
Ныне ежечасно просвещают самые разные источники научно-технической информации. Будем же примечать в потоке этих сведений все отчетливее проступающие черты новой науки. Проблемы поверхности вроде бы лежали на поверхности, но только теперь изучению их придается фундаментальное значение.
В конце нашей беседы я задаю Владимиру Ивановичу Кононенко фантазийный вопрос:
— Не будет ли в будущем так… Допустим, станок, пресс или автомобиль отработал какой-то срок. Его тотчас разберут. Со всех деталей снимут остатки старых покрытий. И опять все, как надо, покроют еще более стойкими плёнками. Машина, поменяв кожу, снова работает, как новенькая. Ведь человек меняет кожу?..
— Интересная мысль…— улыбается Владимир Иванович.— Что же, такое в каком-либо варианте не только возможно, но отчасти делается… Однако более перспективным представляется другой путь. Надо чтобы физический и моральный износ изделий машиностроения совпадал во времени. Хуже, когда машина целехонька, а морально устарела. Ей бы работать, а ее приходится списывать. Еще хуже, что, к сожалению, чаще встречается, когда машина еще не устарела, а уж недееспособна. Это я к тому, что мы должны приближаться к идее относительно замкнутого металлооборота. А для этого, повторяю, физический и моральный износ должны совпадать. Все это — сверхзадача, стоящая перед уральскими машиностроителями. Ну, и перед нами, поверхностниками, конечно, тоже…