Наполовину мертвый кот

Наша санитарная безопасность применения наноматериалов, как написано выше, во многом зависит от поверхности материала. Но безопасность — не только санитарная. Что мы хотим от материала? Прочности? Пластичности? Электропроводности? Конечно, для разных материалов — разного. Но только ли этого мы хотим? Нет! Прежде всего мы хотим, чтобы материал, любой, нас не подвел, чтобы он в любых разумных условиях был прочным, пластичным или электропроводящим. А это зависит, как правило, не от поверхности, а от всего материала целиком. Соответственно риски, которые мы рассмотрим здесь, — это риски применения объемно наноструктурированных материалов. А с ними связана одна принципиальная особенность.

Наноструктурное состояние — это так называемое метастабильное состояние. Пояснить это можно следующим образом. В разных условиях материал предпочитает находиться в различных состояниях: для каждого условия — свое состояние. Так, вода выше 100 градусов должна быть паром. Это ее нормальное, стабильное состояние. Она и закипает. Но можно воду — очень чистую воду, не содержащую ни пузырьков газа, ни пылинок, ни растворенной соли (всего того, что может быть центрами закипания), — нагреть до температуры и выше 100 градусов. Вода бы закипела, но она не знает, откуда начать. Но стоит бросить в нее крупинку, вода «взорвется», мгновенно превратится в пар. Перегретая жидкость (в нашем случае — вода) — это нестабильное состояние. Метастабильное состояние в чем-то похоже на стабильное — оно относительно устойчиво. Одновременно оно похоже и на нестабильное — также относительно. Дело только в степени этой относительности. Как правило, мы считаем мета-стабильные состояния столь же устойчивыми, сколь и стабильные. Твердое тело — а именно для него не только возможны, но и характерны метастабильные состояния — может находиться в различных состояниях. Замечательный тому пример — углерод.

Мы хорошо знаем уголь, графит и алмаз. Но благодаря нанотехнологиям мы узнали и другие состояния углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, графен. Все эти состояния устойчивы — но в том смысле, о котором речь шла выше. Материаловеды и технологи знают, что металлы и сплавы могут находиться в различных состояниях, в зависимости от условий, переходящих друг в друга. Для каждого набора условий: температуры, давления и других — свое состояние. Но твердое тело на то и твердое, что переходы между состояниями затруднены. Состояние, забравшееся не в свои условия, и есть состояние метастабильное. Оно устойчиво, но все же предпочтительнее другое состояние. И если постараться, то в этих условиях будет реализовано именно оно.

Так вот, повторим: наноструктурные состояния часто и есть состояния метастабильные. Приведем тому пример. Для корпусов ядерных реакторов нужен металл, не разрушающийся от потока постоянно бомбардирующих его, вылетающих из активной зоны реактора, нейтронов. Это достигается так. Сталь наноструктурируют: она состоит из зерен наноразмера — около 3 нм в диаметре. И дефекты (а это дефекты кристаллической решетки: здесь что-то лишнее, а в другом месте этого не хватает), образующиеся от бомбардирующих нейтронов, не могут покинуть границы этого маленького, в полтора десятка атомов, зерна. Из-за этого через какое-то время дефекты, двигающиеся по кристаллической решетке[19], но неспособные покинуть область пространства, ограниченного частицей, обязательно встретятся. И дефекты компенсируют друг друга. Кристаллическая решетка станет такой же, какой она была до ее поломки пролетевшим нейтроном.

Для нас важно здесь вот что. Наноструктурированная сталь — это не сталь с большими зернами. Каждое зерно — малюсенькое. Такое состояние метастабильно. В естественном состоянии сталь устроена иначе.

Мы можем быть уверены, что в тех условиях, которые мы имеем, между стабильным и метастабильным состояниями нет никакой практической разницы. Да и не «вскипит» материал, как перегретая вода, — не тот случай. Да — не вскипит. И все же…

1912 год. Экспедиция Р. Скотта гибнет при возвращении с Южного полюса. Увы, норвежец Р. Амундсен и его экспедиция обогнали экспедицию Скотта на 33 дня; англичанин Скотт, покорив Южный полюс, увидел там уже установленный национальный флаг Норвегии. После этого горького разочарования беды обрушились на экспедицию. Гангрена. Температура минус 35. Они не смогли вернуться — не дошли совсем немного. Топливо закончилось 23 марта, пищи оставалось на два дня. А до склада, где было все нужное, было меньше 17 километров. Скотт умер последним. Последняя запись в дневнике Скотта датирована 29 марта 1912 г.

«Закончилось топливо» — это одна из важнейших причин трагедии. Именно топливо — то, что позволяет выжить при таком морозе. А топлива не хватило лишь потому, что оно было утеряно, просочилось из баллонов сквозь запаянные оловом швы. Скотт не знал, не мог знать, что на таком холоде с оловом происходит, казалось бы, неожиданное.