Глазами Монжа-Бертолле

Неужели так-таки и нет никаких пунктиров на картах первопроходчиков в область органических полупроводников? Неужели научная интуиция капитулировала перед неизведанным? Неужели осталось уповать на голую эмпирику — пробовать так, потом этак, авось что-нибудь выйдет? Не может быть, чтобы уверенность ученого не стояла на твердой почве рабочих гипотез!

Лет семь тому назад Издательство иностранной литературы перевело великолепную книжку лауреата Нобелевской премии сэра Джорджа Томсона «Предвидимое будущее». С чисто английским юмором автор писал в предисловии: «В некоторых разделах книги я вышел за рамки теорий, в которых я могу претендовать на какие-либо профессиональные знания. Прошу тех, в чьи заповедные угодья я вторгся, простить мне мою опрометчивость. И если отдельные трофеи, о которых я пишу, существуют только в моем воображении, то по крайней мере такое браконьерство не причиняет никакого ущерба законным владельцам, тогда как случайный пришелец может порой увидеть то, что является одновременно и неожиданным и реальным».

Один из «трофеев» Томсона, сэра Джорджа, имеет прямое отношение к нашему рассказу.

В разделе «Упрочнение материалов» автор затронул интересный вопрос. Удастся ли придать полимерным волокнам еще большую крепость? И если да, то каким способом?

В одном из романов Герберта Уэллса фигурирует сверхтонкая веревочная лестница. Ее разглядеть-то как следует нельзя было, а между тем канаты-паутинки выдерживали вес целой грозди людей. Из чего были сделаны нити? Писатель не дал ответа на наш вопрос. Взглядом художника видел он грядущее. Томсон всматривается в будущее глазами ученого.

И натуральные и искусственные волокна, говорит он, состоят из длинных молекул. Цепочки атомов располагаются обычно вдоль нити. Что же происходит, когда волокно лопается? Быть может, рвутся валентные связи? Мы уже видели, что нетрудно рассчитать силу, необходимую для расторжения уз межатомного сцепления. Оказывается, если бы разрыв нити означал одновременный поперечный разрыв всех полимерных молекул, то такое волокно должно бы быть в двадцать раз крепче любого из самых прочных теперешних!

«Организовать» подобный единодушный разрыв мешает, вообще говоря, та же причина, что и созданию «макроминиатюрных» органических полупроводников — крохотные размеры молекул. Если бы нить имела нормальную толщину, а длиной была с полимерную молекулу — тогда другое дело. Можно единым махом разорвать все валентные связи. Но как в таком случае уцепиться за ее концы?

Реальная нить — длинный клубок тесно перепутавшихся многоатомных цепочек. Далеко не все молекулы полимера расположены голова к голове, хвост к хвосту. Иногда они цепляются своими извивами друг за друга, причем беспорядочно, как попало. Иногда просто касаются друг друга. Что же придает волокну прочность?

Томсон высказывает два предположения.

Возможно, когда на волокно действует нагрузка, молекулярные цепочки подвергаются неодинаковому напряжению. Где тонко, там и рвется: как только большая часть растягивающего усилия сосредоточивается на какой-нибудь одной тонюсенькой молекуле, валентная связь лопается и нагрузка перемещается на следующую молекулу. Та, понятно, не выдерживает. И так далее. Атомные постройки трещат по всем валентным «швам».

Однако, сам себе возражает Томсон, при такой схеме следовало бы ожидать значительного удлинения волокна. Не меньше чем на десятую долю. А этого в действительности не наблюдается.

Остается другое объяснение: волокна не выдерживают нагрузки из-за сдвига одних молекул по отношению к другим. Большинство их при разрыве волокна остаются целыми. Расчеты, исходящие из таких предпосылок, подтверждаются измерениями.

Вывод: своей прочностью волокно обязано не внутримолекулярным, а куда более слабым межмолекулярным силам. Но это все предисловие. Самое интересное ожидает читателя впереди.

Пути увеличения прочности. Каковы они?

Вот они, три трофея Джорджа Томсона!

Во-первых, удлинение молекул. Чем протяженнее полимерные цепочки, тем больше площадь контакта между ними. Стало быть, тем значительнее действие межмолекулярных сил. Опыты свидетельствуют, что подобное наращивание новых звеньев на полимерную цепочку действительно приводит к росту прочности материала. Однако здесь существует потолок: по достижении определенной длины дальнейшее упрочнение прекращается. Возможно, оттого, что отдельные неправильности в структуре материала или самой молекулы вынуждают одну часть молекулы растягиваться и сдвигаться по отношению к соседней молекуле раньше, чем все силы, цементирующие волокно, равномерно распределят между собой нагрузку.