Живой кристалл

ЭФФЕКТ ИОФФЕ

Об эффекте, открытом и исследованном одним из патриархов советской физики академиком Абрамом Федоровичем Иоффе, я всегда с удовольствием рассказываю и во время университетских лекций, и просто в беседах с молодыми людьми, если хочу обратить их в свою веру — представить науку о кристаллах в красочном, привлекательном виде.

История открытия и самоутверждения эффекта Иоффе содержит все то, чем богата логика живой науки и маняща деятельность ученого. В этой истории и рождение проблемы, когда обнаруживается кричащее противоречие между идеями и фактами, и эксперимент — красивый и настолько простой, что у каждого возникает иллюзия сопричастности к замыслу эксперимента, уверенность, что и он придумал бы этот эксперимент, если бы ранее его не придумал и не осуществил тот, с чьим именем эксперимент вошел в науку. В истории эффекта Иоффе есть место деятельности и добросовестно заблуждающихся научных оппонентов, и активных газетных репортеров, неуемно и без достаточных оснований фантазирующих на тему «эффект и будущее» и высшая награда ученому, когда его идеи со страниц академических журналов перекочевывают на страницы учебников и в графы карточек цеховых технологических процессов.

Внешне эффект выглядит так. Оказывается, что, если кристалл каменной соли (толстый или тонкий — это безразлично) смочить водой, его прочность на разрыв становится во много раз больше прочности сухого кристалла. Казалось бы, прочность — объемное свойство кристалла и ему нет дела до всего того, что происходит на поверхности кристалла, а на поверку оказывается, что существует «эффект Иоффе»: соседство с водой резко упрочняет каменную соль.

Начало истории эффекта Иоффе мы будем датировать 1915 г., когда выдающимся немецким физиком-теоретиком Максом Борном была опубликована теория ионных кристаллов. Собственно, в этой теории впервые и было введено представление о кристаллах, состоящих из ионов, которые связаны электрическим взаимодействием. Сказанное в последней фразе для нас звучит азбучной истиной, а тогда, в 1915 г., всего через 3 года после того, как с помощью рентгеновских лучей впервые убедились в строгой периодичности чередования атомов в кристалле, мысль о структуре, состоящей из ионов, была откровением.

Теория Борна, математически стройная и внутренне непротиворечивая, подтверждалась многими экспериментами. Сопоставляя ее следствия с экспериментально установленными фактами, Борн объяснил оптические, электрические и многие другие свойства ионных структур. В противоречии с его теорией оказались лишь данные о прочности кристаллов. Известно было, что, например, кристалл каменной соли разрушается, если к нему приложить напряжение σ ≈ 4,5• 10⁷ дин/см², а точный и последовательный расчет теоретика предсказывал существенно иную величину: σ ≈ 2• 10¹⁰ дин/см².

Сохранив идею, упростим расчет Борна и попытаемся примитивно оценить величину прочности кристалла. Борн ее вычислил строго.

Мы знаем, что прочность кристалла есть отношение силы, которую нужно приложить, чтобы его разорвать, к площади поверхности, по которой разрыв произошел: σ = F/S

Простота и очевидность сделанной оценки не должны в глазах читателя умалить проницательность теоретика. Нам, полвека спустя, легко и просто быть умеющими и понимающими, за нами величие Борна, который в 1915 г., не имея предшественников, мыслил независимо и революционно. Он был великим мастером. Здесь я хочу обратить внимание читателя на то, что в приведенном расчете, относящемся к разрыву кристалла, как и в расчете Френкеля, относившемся к сдвигу, делается все то же «классическое» предположение, что все связи рвутся одновременно.

Осмысливая противоречия между расчетом Борна и экспериментальными данными, Иоффе должен был обсуждать две возможности: либо теоретик ошибся, либо эксперименты неточны! Второе предположение следует отбросить, не колеблясь, потому что, даже если бы произошло невероятное и экспериментаторы ошиблись в 500 раз, их поправила бы многовековая практика обращения человека с кристаллами NаС1. Ведь если бы действительно их прочность была в согласии с теорией Борна, то не так просто было бы добыть в штольне соляную глыбу, орудуя киркой, и непростой была бы задача истолочь эту глыбу в порошок. В 500 раз экспериментаторы не могли ошибиться! И теоретик вряд ли ошибался так сильно: и мысли его логичны, и многие иные факты, следуя этим же мыслям, он объяснил очень успешно.

Правду следовало искать где-то в другом месте. Именно это и сделал Иоффе. Он рассуждал так: Борн, конечно же не ошибается, но рассчитывает он идеальную ситуацию когда одновременно рвутся все п связей. А если они рвутся не одновременно? Тогда, очевидно, разрушение будет происходить не мгновенно, так как связи рвутся последовательно, и при напряжении, значительно меньшем того, которое следует из теории.

Иоффе предположил, что на поверхности кристалла имеются микроскопические трещины. При нагрузках, меньших соответствующей «теоретической» прочности в устье трещины, в маленьком объеме кристалла могут возникнуть напряжения, при которых связи начнут рваться. А это значит, что трещина будет распространяться в глубь образца, пронижет его и расчленит на две части. Кристалл разрушится не потому, что в плоскости разрыва одновременно разрушились все связи, а потому, что последовательно разрушающиеся связи дали возможность трещине вырасти и расчленить кристалл.

В то время, когда Иоффе осмысливал свои опыты, идея «трещины» носилась в воздухе. И не случайно почти одновременно была использована и Гриффитсом, и Иоффе.

То, о чем думал Иоффе, представляя механизм разрушения, можно отчетливо проиллюстрировать модельным опытом. Он прост, и его результаты не оставляют сомнений. На предметном столике микроскопа растягивается тонкая пластинка плексигласа, на боковом торце которой сделан острый и неглубокий надрез. Пластинка моделирует кристалл, надрез — трещину на его поверхности. В поляризованном свете можно отличить напряженные участки в плексигласе: чем больше напряжение, тем соответствующий участок темнее. Так вот, на последовательности кадров отснятого нами кинофильма видно, что в устье надреза напряжения максимальны и что пластинка разрушается вследствие движения напряженного устья надреза сквозь нее. Происходит это при напряжениях, значительно меньших тех, которые необходимы для разрушения пластинки без надреза.

В упрощенном варианте подобный модельный опыт можно сделать не прибегая ни к микроскопу, ни к поляризованному свету, ни к кинокамере: порвать полоску бумаги, растягивая ее, намного легче, если предварительно сделать на ней маленький надрыв.

Итак, гипотеза есть, нужен опыт, экзаменующий ее. Идею опыта подсказывает прямолинейная логика: если действительно поверхностные трещины — истинная причина почти пятисоткратного понижения прочности, то, растворив в воде тонкий слой кристалла, в котором есть трещины, мы вправе ожидать, что прочность кристалла возрастет в пятьсот раз. Логика это право дает, а скепсис возражает логике: неужели вода способна обусловить такой эффект?

Иоффе поставил следующий опыт. Он растягивал монокристальный образец каменной соли в условиях, когда часть образца была в воздухе, а часть омывалась теплой водой, которая растворяла и утоняла кристалл. Результат опыта оказался в согласии с предсказаниями логики: образец разрушился в сухой части, обнаружив прочность ≈ 45• 10^е дин/см². Мокрая, более тонкая часть образца выдерживала напряжения до величины 15• 10⁹ дин/см², которая не так уж далека от «теоретической прочности» 20 • 10⁹ дин/см².

Ситуация гриффитсовская: где тонко, там не рвется! Как правило, красивым нам кажется такой опыт, который побеждает наш скепсис. В этом смысле опыт Иоффе, безусловно, очень красив!

Опыт (он был осуществлен в 1924 г.) с таким впечатляющим результатом, естественно, привлек к себе внимание и специалистов, и «околонаучных кругов». Газеты и научно-популярные журналы наперебой рассказывали своим читателям о фантастических последствиях возможного увеличения прочности материалов: мосты из проволок, сверхлегкие самолеты, автомобили, пароходы. В книге «Моя жизнь и работа» А. Ф. Иоффе возмущается этой рекламой: «...между наблюдением исключительной прочности кристалла каменной соли и получением такой же прочности технических материалов — громадный путь».

Журналисты ликовали по поводу эффекта, а в научных журналах появились статьи и на научных конференциях — выступления, которые, не ставя под сомнение результат опытов по разрыву мокрых кристаллов, опровергали предлагавшееся Иоффе толкование причины такого влияния воды на прочность каменной соли. Австрийский кристаллофизик Смекаль, известный своими исследованиями структуры кристаллов, на конференции в Лондоне утверждал, что в опытах Иоффе прочность соли меняется в связи с тем, что вода частично растворяется в ней. С этим утверждением можно было спорить, прибегая не к общим соображениям, а лишь к результатам точно поставленных опытов.

Такие опыты и были поставлены в Ленинграде, в лаборатории Иоффе. Расскажу о двух из них. Один заключался в простом повторении опыта по разрыву образца, погруженного в воду. Была предусмотрена лишь одна деталь: часть поверхности, погруженной в воду, была от воды защищена полоской нерастворимого лака. В этом случае эффект исчезал, прочность кристалла не повышалась. Через незащищенную поверхность вода в кристалл могла поступать, согласно идее Смекаля, и упрочнять его, но то обстоятельство, что на небольшом участке поверхности сохранились поверхностные трещины, делало кристалл уязвимым, малые нагрузки его разрушали. Идея Смекаля явно оказывалась несостоятельной.

Второй опыт был неожиданным по замыслу. Монокристальный шарик каменной соли предварительно охлаждался в жидком воздухе, а затем перебрасывался в расплавленное олово или свинец. Внешние слои шарика быстро нагревались, расширялись и растягивали во всех направлениях внутреннюю, еще не прогревшуюся часть шарика. Теоретики подсчитали, что в центре шарика возникали напряжения до 7• 10⁹ дин/см², между тем шарик не разрывался. Дело в том, что напряжения возникали внутри шарика, а поверхностные трещины оставались недостаточно напряженными, не росли, и кристалл сохранял целостность.

У читателя, конечно же, возник вопрос: почему именно трещины на поверхности кристалла оказались определяющими его прочность? Неужели структура объема образца абсолютно бездефектна, свободна от «объемных» трещин, которые были бы равно безразличны и к наличию, и к отсутствию воды на поверхности образца? Действительно, могло бы оказаться, что роль поверхностных трещин не определяла бы прочность. Могло бы, а вот в случае соли не оказалось.

Быть может, это обстоятельство умаляет значимость и общность эффекта? Быть может, речь идет о случайной находке экспериментатора, имеющей ограниченный, частный интерес? Конечно же, нет! Речь идет о другом. Благодаря тому, что отыскались объекты, где поверхностные трещинки себя проявляют предельно отчетливо, физика обогатилась ясным пониманием возможного влияния поверхностных дефектов на механические свойства кристаллов. Важная проблема «кристалл и среда» немного прояснилась, кусочек истинной правды о законах природы оказался заключенным в «эффекте Иоффе».

Абрам Федорович Иоффе был счастливым ученым, он видел при жизни учебники физики с параграфом «Эффект Иоффе» и видел карточки тех цеховых технологических процессов, в которых достигается значительное упрочнение изделий вследствие удаления трещин с их поверхности.