Писатели-фантасты, которым приходится глубоко задумываться о возможном характере технологий будущего, часто изобретают новые научно-фантастические материалы, чтобы их технологии будущего казались правдоподобными. Похоже, они понимают, какую важную роль материаловедение играет в развитии технологий. Вот почему научная фантастика изобилует вымышленными материалами, такими как унобтаниум, вибраниум, адамантий и карбонит (это лишь некоторые из самых известных). Новые материалы расширяют границы возможного. Технологии могут сделать не так уж много в рамках существующих материалов.
На самом деле, ранние этапы развития человеческих технологий определяются материалами, которые они использовали, начиная с каменного века и заканчивая железным веком. Сегодня, спустя более 3000 лет после начала производства стали, мы живем в эпоху стали. Существует множество современных материалов с различными областями применения, но во многом сталь по-прежнему определяет границы наших технологий. Вот почему исследования, направленные на улучшение характеристик современной стали, все еще продолжаются. Недавнее исследование, возможно, указывает на один из способов расширения возможностей стали.
Сталь – это просто сплав железа с небольшим содержанием углерода. Атомы углерода связываются с атомами железа, образуя кристаллы стали, которые тверже и прочнее железа как такового. Свойства стали можно регулировать в зависимости от процентного содержания углерода в сплаве. Свойства получаемой стали также могут быть изменены путем ее легирования другими металлами – например, молибденом, марганцем, никелем, хромом, ванадием, кремнием и бором. Это может сделать сталь более прочной, вязкой, пластичной, жаростойкой или устойчивой к коррозии.
Но есть и другой способ манипулировать свойствами стали – с помощью термообработки. Вероятно, на его открытие и совершенствование ушло несколько сотен лет после того, как была открыта сама сталь. Сталь можно подвергать отжигу, для чего ее нагревают до температуры Кюри, при которой она теряет свои магнитные свойства (то есть кристаллическую структуру), а затем очень медленно охлаждают, позволяя расти крупным зернам. Это делает сталь мягкой, пластичной и прочной. Вы также можете закалять (быстро охлаждать) некоторые виды стали, в результате чего в стали образуются мелкие зерна, которые делают ее твердой, но хрупкой. Закалка стали – это процесс ее нагрева до температуры ниже температуры Кюри в течение определенного периода времени, что может вернуть стали некоторую прочность. Для получения правильных значений температуры и времени для различных сплавов стали потребовалось много проб и ошибок. Вы также можете комбинировать различные типы стали в многослойных материалах, чтобы получить наилучшее сочетание различных свойств. Эта базовая технология производства стали используется и по сей день.
Но теперь у нас есть другой способ изменить свойства стали, воздействуя на ее наноструктуру. Это возможно, потому что мы можем исследовать его наноструктуру с помощью передовых методов визуализации. Именно об этом и идет речь в данном исследовании. Авторы пишут:
Наноструктурированные металлические материалы с многочисленными угловыми границами зерен обладают высокой прочностью и хорошей радиационной стойкостью. Несмотря на то, что наноразмерные зерна обеспечивают высокую прочность, они также снижают пластичность при растяжении. Мы показали, что ферритная сталь с градиентной наноструктурой демонстрирует одновременное повышение предела текучести на 36% и равномерное удлинение на 50% по сравнению с аналогом с однородной структурой.
Они взяли сталь марки Т-91 и использовали напряжения сжатия и сдвига, чтобы разделить крупные зерна на более мелкие (в результате получилась сталь марки ГТ-91). В результате этого процесса размер зерен плавно меняется от очень малого на поверхности до постепенно увеличивающегося к центру, вплоть до 100-кратного увеличения. В результате получается твердая сталь на поверхности и прочная сталь в центре (подходит для изготовления мечей, но также и для других применений). Предел текучести, как упоминалось выше, – это величина усилия, которое сталь может выдержать и при этом вернуть свою первоначальную форму, не подвергаясь постоянной деформации. Поэтому высокий предел текучести важен во многих областях применения, например, при изготовлении пружин. Равномерное удлинение – это показатель пластичности, который представляет собой величину, на которую сталь может быть деформирована перед разрывом. Обычно эти два свойства являются компромиссными, увеличивая одно, вы уменьшаете другое. Но у GT-91 улучшились оба свойства по сравнению с оригинальным T-91.
Авторы упоминают еще одно свойство этой стали, которое, вероятно, будет очень важным в будущем, – радиационная стойкость. Это способность самой стали противостоять радиации, не становясь хрупкой. Это важное свойство для ядерных реакторов, возможно, термоядерных реакторов, а также зондов и космических кораблей для полетов в дальний космос.
Приятно видеть, что мы продолжаем добиваться значительных успехов в технологии производства стали. Возможно, сталь будет оставаться важнейшим материалом для наших технологий еще несколько тысяч лет. Но мне действительно интересно, каковы пределы возможностей технологии производства стали. Как будет выглядеть сталь через тысячу лет? Как далеко мы можем продвинуться в улучшении свойств стали? Мне также интересно, какие совершенно новые материалы ждут своего изобретения. Не существует новых элементов, которые могли бы заменить сталь. Мы дополнили периодическую таблицу Менделеева и теперь просто добавляем в конец новые элементы с высокими атомными номерами и нестабильными свойствами. Вибраний не ждет своего открытия в качестве нового элемента.
Следовательно, вымышленные металлы должны быть новыми сплавами с наноструктурными свойствами или, возможно, с какими-то свойствами метаматериалов. Знание теоретических пределов таких материалов важно для размышлений о будущих технологиях, таких как космические лифты (вероятно, неосуществимые), межзвездные космические корабли и солнечные паруса. Также существует возможность использования неметаллических футуристических материалов, таких как углеродные нановолокна или что-то еще, что пока даже не представлялось. Материаловедение увлекательно, потому что оно способно полностью изменить мир, сделав возможными новые технологии и приложения. Даже простое постепенное улучшение качества стали может оказать огромное влияние.
