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.

Привычное нам олово в обычных условиях — белый металл, пластичный и ковкий. При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не может усомниться в его принадлежности к классу металлов. Но при температуре ниже всего 13,2°C (чуть ниже комнатной температуры!) устойчивое состояние олова иное. Начиная с этой температуры, в структуре олова начинается перестройка. Белое олово превращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура, тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 39°C.

Плотность серого олова заметно меньше, чем белого. Видимый результат превращения белого олова в серое называют «оловянной чумой» — она проявляется в виде серых пятен на белом олове, чем и напоминает чуму. Кроме того, чумой этот процесс назван потому, что для начала процесса превращения белого олова в серое достаточно незначительного количества «затравки» — кристаллов серого олова. Словно заразная болезнь, серое олово расползается, заражая здоровый металл.

Итак, давайте не забывать, что наноструктурированные материалы метастабильны. И хорошо заранее тщательно проверить, как они ведут себя в различных условиях, прежде чем в условиях сильных магнитных полей или космического пространства наш материал неожиданно для нас заболеет какой-нибудь наноструктурной ветрянкой или метастабильной корью.

Но проверять надо не только материалы для космических аппаратов или термоядерных реакторов — токамаков (именно там существуют такие сильные магнитные поля, превышающие магнитные поля Солнца). Наноструктурные материалы будут повсюду: в автомобильных и железнодорожных мостах, подверженных постоянной вибрации, в корпусах самолетов, в которые попадают сильные электрические разряды — молнии во время грозы, в контактных сетях скоростных электропоездов, подверженных длительному воздействию постоянного тока — текущего в одну сторону, в отличие от привычного нам переменного. И главное, чего мы хотим от этих материалов, — чтобы он не подвел. А если материал новый — такой риск нельзя сбрасывать со счетов.

Риск того, что достаточно проверенный новый материал может в неординарных условиях повести себя не так, как мы того ожидаем, имеет своего «тезку». Речь идет о риске нештатного поведения нового материала в стандартных условиях, чего мы тоже от него не ожидаем, но по иным основаниям — ложной уверенности, необоснованного доверия к качеству, предъявляемому наиболее высокотехнологичными секторами экономики.

При создании космических аппаратов применяют новый наноматериал — кермет. Зерна металла, размером до 5 нм, окруженные такими же зернами другого металла или его окисла (а чтобы такое получилось, металлов должно быть несколько), спекают под давлением. Получается композит — много металлов вперемешку. Почему металлы разные? Очень просто. Нанопорошок получают размолом металла специальными мельницами (есть и другие способы, но сейчас нам это не важно). При размоле частицы становятся все меньше: начинают с размера несколько микрон и доходят до наноразмера. Однако начиная с диаметра частиц около 25 нм процесс помола сталкивается с препятствием. Отдельные, более мелкие частицы предпочитают слипаться — между ними образуются перемычки, и наноструктура нарушается. А нам нужны частицы от 10 до 5 нм. Именно они обладают нужными нам свойствами. Если соседние частицы принадлежат разным металлам, такого слипания не происходит, как минимум быстро.

Но у нас нет гарантии, что зерно кермета не будет укрупняться с течением длительного времени. Сегодня космический аппарат — как правило, спутник, живущий менее 5–7 лет[20], или вообще одноразовые ракетоносители и разгонные блоки. Этой проблемой можно и не озадачиваться.

В основе некоторых современных автомобилей лежат технологии авиастроения. Таковы, например, компании «Субару» и «Мазда». Существует устойчивое мнение об «авиационном» генезисе некоторых автомобилестроительных компаний, например «Ауди». Как же — авиационные технологии, примененные в автомобилестроении; качество, недоступное другим! Прекрасная основа для продвижения своей продукции.

Представьте, что кто-то решит перенести космические технологии в нашу «земную» жизнь, например в судостроение, под лозунгом: космическое — значит надежное. Гражданское судно или военный корабль, живущие 40 лет и более, — норма. Но как поведет себя критически важная деталь из кермета через 20–25 лет? В рамках космических разработок этого никто не проверял.

Для того чтобы точно знать, как ведет себя материал с течением длительного времени, нужно это самое время. Не каждый процесс можно ускорить, быстро и надежно промоделировать численными методами. Все эти методы сами требуют верификации и, прежде всего, натурного опытного подтверждения, т. е. времени.

Но мы торопимся. У нас множество планов, новых конструкторских решений, которые стали возможными только благодаря появлению нового материала. Такая ситуация — особенность наноматериалов. Мы их для этого и разрабатывали и создавали: сделать невозможное. И мы не можем ждать.