Мысль человека всегда опережала его возможности. В технике арбитром между фантазией и реальностью, едва ли не всегда, были прочность и материалы. Ими определялся круг всего того, что человек мог сделать сегодня. И это желание прочно стоять на ногах проникло во всех поры человеческого сознания.

«Ножницы» между желаемым и осуществимым, расхождение между тем, что человечество хотело и могло, стали очевидными после удивительной работы выдающегося советкого физика Я. И. Френкеля, вышедшей в 1926 году. Смысл ее таков. Представим себе процесс пластической деформации как соскальзывание одного слоя атомов по другому, подобно тому, как сдвигается стопка листов чистой бумаги или колода карт. Из-за того что процесс этот идет одновременно по всей плоскости листа, мы вынуждены рвать межатомные связи сразу между всеми атомами'по обе стороны плоскости скольжения. Между слоями бумаги силы притяжения ничтожны. Но между слоями атомов они велики. Поэтому попытка сдвинуть два атомных слоя – один по отношению к другому – хотя и возможна, но потребует очень большого усилия. Я. И. Френкель нашел это усилие и пересчитал его на привычные нам напряжения. И тогда оказалось, что прочность в этом случае достигает удивительно больших значений, в 1000 раз превышающих привычные нам, будничные. Эту прочность назвали теоретической прочностью твердого тела и определили ее как потолок, к которому можно и нужно стремиться.

Кто-то сказал, что новая идея – это клин, который входит только толстым концом. Но в случае теоретической прочности все было не так. Мысль Я. И. Френкеля была настолько ясной, а математический аппарат в такой мере простым, чтобы не сказать элементарным, что всему сразу поверили. Научная общественность мира приняла идею «к исполнению» и не ошиблась. Оказалось, в частности, что очень тонкие кристаллы, так называемые усы, толщиной в микроны, обладают прочно-

стями, очень близкими к теоретической. Так, прочность плавленых кремнеземных волокон оказалась равной 4,2 ГПа, усов железа 13 ГПа, а графитовых нитей еще большей 24 ГПа. Сравните эти цифры с прочностью хорошей стали, всего 1-2 ГПа! Кстати, прочность паутины превосходит прочность стальной нити такой же толщины, и при этом паутина еще может растягиваться на 20 %! Неудивительны слова поэта:

И даже тоненькую нить не в состояньи разрубить стальной клинок…

Удивительно другое, почему столетия человечество всего этого не замечало? А ведь оно прекрасно знало о поразительной прочности различных волокон.

Но как практически это было использовано? Никак, если не считать того, что в XVIII веке в Тирольских Альпах паутина оказалась незаменимой… для создания живописных полотен1. Ее натягивали на картон, а затем наносили акварельный рисунок. Прочность материала была такой, что он выдерживал печатание с металлических пластин. Известен и экспонат одного из немецких

1 Бабенко В. Мастер на все ноги. Ткачество//Вокруг света. 1976. № 4. С. 50.

музеев – перчатка из паутины. По словам Ж. Бержье, один безумный немецкий физик в попытке химическим путем воспроизвести нить паука с тем, чтобы соткать из нее пуленепробиваемые жилеты для солдат, уничтожил эту перчатку. Французский естествоиспытатель Г. Ку-пэн сообщает о необыкновенной прочности нити одной из пород мадагаскарского паука: ткань, сотканная из нее, превзошла все ожидания2. Вот и все. Зато сейчас человечество «вошло во вкус» и быстро наверстывает упущенное.

Металлическое волокно «паучий ус» – незаменимый материал для визирных перекрестий оптических инструментов. Из «усов» делают деликатнейшие микроскопические пружины. Из тончайших проволок вьют невероятной прочности канаты. Нити, наконец, основа производства композитных материалов, которые во всем мире широко применяют в военной и гражданской авиации, космонавтике, текстильной промышленности, в больничном и коммерческом оборудовании, в автомобилях, шлюпках, музыкальных инструментах и многом, многом другом – всего и не перечислить… Вот как оценивает американский журнал новый композитный материал на основе графитовых усов тоньше человеческого волоса: в авиации замена алюминиевых деталей композитными облегчит на 15 % конструкцию и позволит военному реактивному самолету… увеличить на 10 % дальность полета или усилить на 30 % свое вооружение при одной и той же заправке горючим. Для гражданских самолетов это означает увеличение дальности полета и полезной нагрузки и, вероятно, более дешевые билеты.

А вот, например, как делают корпуса ракет больших диаметров. Берут деревянную обичайку в форме ракеты и наматывают на нее слой из тонкой нити-уса. Затем наносят вяжущий слой эпоксидной смолы, потом опять слой нити, смолы и т. д. Получается многослойная стенка, и прочная, и легкая. Так будут изготовлять многометровые цилиндрические колонны для химической промышленности, цилиндры мощных прессов, баллоны для хранения сжатых газов. Недалеко время, когда сверхпрочные материалы на основе тончайших волокон, без преувеличения, покорят современное машиностроение

2 Купэн Г, Искусство и ремесла у животных. Спб., изд. Девриен, 1910. С. 128.

и приведут к появлению в полном смысле легковых автомобилей – в 100 килограмм весом, гигантских и вместе с тем и весе «пера» мостов и «пушинок»-самолетов. И все это абсолютно надежное, прочное. Невольно вспоминаются слова Леонида Мартынова:

Ведь не способна ни рваться, ни гнить Даже в ушке этом тесном игольном Великолепная светлая нить…

Но почему, говоря о теоретической прочности, мы все время твердим об усах? А как же быть с монолитными металлами, ведь именно они основа машиностроения? Вопрос верен. Все дело в том, что, к сожалению, теоретической прочности на монолитных металлах достичь не удалось, хотя это и не означает, что ученые стояли на месте. Теперь получают стали с прочностью до 3 и даже до б ГПа, но до теоретической прочности еще далеко.

Почему для тонких кристаллов мы ее получили, а для монолитных металлов, болванок, слитков, проката теоретических цифр прочности еще нет?

Итак, почему?

Этот вопрос был одним из самых важных в ряду тех, которые вызваны работой Я. И. Френкеля. Но не единственным. Непонятно было и то, почему прочность реальных кристаллов в сотни и тысячи раз меньше теоретической. Почему чистые металлы мягче сплавов? Почему поликристаллические – тверже монокристаллических? Двадцатые годы на эти вопросы не принесли серьезных ответов.

1934 год был переломным. Английский физик Г. Тейлор из Кэмбриджского университета и венгерский ученый Е. Орован выдвинули гипотезу: в кристаллах существует особый дефект – дислокация, решительным образом меняющая свойства кристаллического материала. Исходили при этом из того, что если бы кристалл был идеальным, то для его деформирования нужно было бы приложить напряжения, равные теоретической прочности. А коль скоро реальные напряжения деформирования незначительны, должен существовать какой-то кон-

центратор, сосредоточивающий приложенное усилие в небольшой части кристалла. Его «построили» так Рассмотрели кристалл как толстую книгу, где атомные слои моделировались листами бумаги. А потом вложили еще один лист размером в полстраницы. По выражению поэта О. Мандельштама, эдакий «журавлиный клин в чужие рубежи». Понятно, что атомный ряд этой полустраницы (его называют экстраплоскостью) обрывается в пространстве. Представим себе далее плоскость скольжения, перпендикулярную листам и проходящую по краю экстраплоскости. По обе стороны от плоскости скольжения атомы наладили между собой взаимодействие, «вцепились» друг в друга. А атом на краю экстра-плоскосги одинокий: ведь у него нет визави – атома напротив. А между тем «желание» вступить в контакт есть. Вот этот-то атом со своей экстраплоскостью и способен творить чудеса.