Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Когда наши далекие предки еще не знали ни меди, ни золота, ни метеоритного железа, они делали орудия труда из кремня, дерева и кости. Любой, кто хоть раз пытался что-нибудь сделать такими орудиями, знает, насколько они ограничивают возможности. Если ударить по деревяшке, она расколется, треснет или сломается. Так же обстоит дело с камнем или костью. Металлы принципиально отличаются от этих материалов: от удара молота они лишь меняют форму, поскольку обладают пластичностью и ковкостью. Мало того, от этих ударов они только крепчают. Можно закалить лезвие, просто ударив по нему кузнечным молотом. Этот процесс обратим: если поместить металл в огонь и раскалить его, он снова станет мягче. Первые люди, открывшие эти свойства металла десять тысяч лет назад, нашли материал твердый, как камень, но пластичный и почти что вечный. Иными словами, идеально подходящий для орудий труда, особенно режущих – топоров, резцов и бритв.

Должно быть, эта способность металлов превращаться из мягкого материала в твердый казалась нашим далеким предкам волшебной. Вскоре я узнал, что Брайану тоже так казалось. Он рассказал, что изобрел свое устройство методом проб и ошибок, не вникая в тонкости физических и химических процессов, и тем не менее затея его, похоже, удалась. Он хотел, чтобы я замерил остроту бритвенных лезвий до и после заточки. Без такого экспертного заключения он не мог начать серьезные деловые переговоры с компаниями – производителями бритв.

Я объяснил Брайану, что для того, чтобы его приняли всерьез, потребуется больше, чем несколько замеров. Дело в том, что металлы состоят из кристаллов. В обычном бритвенном лезвии их миллиарды, и в каждом таком кристалле атомы расположены особым образом, формируя почти идеальную трехмерную структуру.

Так выглядит кристалл металла, из которого изготовлено лезвие бритвы. Ряды точек изображают атомы

Сильные межатомные связи придают прочность кристаллам. Бритва притупляется, потому что многочисленные удары o волоски меняют взаимное расположение атомов, придают кристаллу другую форму, нарушают старые и создают новые связи, приводят к появлению крошечных вмятин и зазубрин на гладком острие. Отточить его по методу Брайана значило бы запустить обратный процесс – вернуть атомы на прежнее место и восстановить таким образом нарушенную структуру. Чтобы Брайана приняли всерьез, нужно не только доказать восстановление на уровне кристаллов, но еще и аргументированно объяснить механизм этого процесса на атомном уровне. Я сказал, что нагрев – неважно, от электричества или от иного источника, – обычно делает металл более мягким, что совсем не входит в планы Брайана. Ему это было известно, однако он категорически утверждал, что его электронное устройство не имеет к нагреву стальных лезвий никакого отношения. Наверное, странно думать, что металлы состоят из кристаллов, потому что под кристаллом мы обычно понимаем прозрачный, искусно ограненный драгоценный камень вроде бриллианта или изумруда. Кристаллическая структура металлов скрыта от наших глаз, так как металлические кристаллы непрозрачны и по большей части микроскопически малы. Если взглянуть на них в электронный микроскоп, мы увидим странную перекошенную мозаику, причем внутри кристаллов будут заметны волнистые линии. Это так называемые дислокации – дефекты, отклонения. Не будь их, кристаллическая решетка была бы идеальной. Это сбои в атомном порядке, которых не должно быть.

Для простоты я изобразил лишь несколько дислокаций. Таких дефектов у металлов, как правило, в избытке. Линии дислокаций пересекаются и перекрывают друг друга

Звучит невесело, но вообще-то эти недостатки нам на руку. Благодаря им из металлов получаются отличные инструменты, режущие детали и… бритвенные лезвия, поскольку дефекты позволяют менять форму кристаллов.

Чтобы ощутить силу дислокаций, не нужен кузнечный молот. Когда вы сгибаете скрепку для бумаги, на самом деле гнутся металлические кристаллы. Иначе скрепка была бы хрупкой и с треском ломалась бы, словно палочка. Пластичность металла объясняется сдвигом дислокаций внутри кристалла. Они переносят крупицы материала с одной стороны кристалла на другую, причем делают это со скоростью звука. Сгибая скрепку, вы заставляете приблизительно 100 000 000 000 000 дислокаций двигаться со скоростью в сотни километров в секунду. Хотя каждая дислокация переносит крошечный кусочек кристалла (фактически одну атомную плоскость), этого хватает, чтобы металл гнулся, как сверхпрочный пластик, а не трескался, подобно камню.