Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Идеальный или реальный - решает структура

Широко используемые в технике материалы почти всегда содержат довольно много «загрязнений»-инородных включений. У металлов, солей, строительных материалов их доля достигает нескольких процентов, а в пластмассах кроме посторонних элементов содержатся еще и низкомолекулярные органические соединения. Наряду с загрязнениями, более или менее равномерно распределенными внутри материала, большую роль играют наслоения на его поверхность. Это особенно важно при коррозии и катализе, при электронной эмиссии и вообще тогда, когда процесс определяется свойствами поверхности. Наконец, структура всех материалов очень сильно отличается от той идеальной, которая в физике твердого тела служит моделью для описания их свойств. Материалы существуют не в виде однородных больших кристаллов, а представляют собой конгломераты мелких кристалликов, как в куске сахара. К тому же и внутри кристалликов значительная часть атомов пребывает не на отведенных им местах в кристаллической решетке. Очень часты нарушения в строении кристалла, существенно влияющие на свойства материала.

В последние десятилетия большое значение как для фундаментальных исследований в физике твердого тела, так и для разработок, непосредственно нацеленных на практические нужды, приобретают высокочистые материалы с облагороженной структурой. Интерес к получению и исследованию высокочистых материалов обоснован прежде всего следующим.

Создание материалов с заданными свойствами предполагает обширные теоретические познания об их атомарном строении и о многочисленных факторах, влияющих на их свойства. Основу для этого в физике твердого тела образует модель идеального твердого тела, характеризуемого абсолютной чистотой и бездефектным строением кристаллов. Многочисленные отклонения от этой идеализированной модели обобщаются в понятии реальной структуры. Для ее систематического изучения необходимо прежде всего исследовать кристаллы, как можно более близкие к идеальному твердому телу, а дальнейший анализ сводится к целенаправленному выяснению влияния дефектов структуры и загрязнений на отклонения от идеальной модели.

Поэтому измерения, проводимые на высокочистых материалах, являются необходимой предпосылкой для систематического изучения материалов на атомарно-теоретическом уровне.

Особенно серьезно нарушения в структуре и загрязнения сказываются на электропроводимости полупроводников. Дальнейшее развитие техники полупроводников и микроэлектроники было бы невозможно без высокочистых полупроводниковых материалов. При изготовлении элементов электронной техники очень высокие требования предъявляются также к металлическим и изолирующим материалам.

Высокая степень чистоты материалов является также предпосылкой развития ядерной техники, точного приборостроения, исследования космического пространства и многих других областей науки и техники. Примерами могут служить сверхчистый, обогащенный изотопами уран-ядерное горючее; чистейшие, с развитой поверхностью керамические пленки для солнечных батарей или очень близкие к идеальным кристаллы солей для оптических приборов.

И в классических отраслях техники от применения высокочистых материалов можно ожидать существенного прогресса: сверхтвердые искусственно полученные алмазы все чаще используются при огромных нагрузках; проволока из нитевидных, почти идеальных кристаллов металла обладает исключительно высокой прочностью на разрыв; даже качество издавна известных лезвий для бритв существенно повышается при нанесении на режущую поверхность   хромоплатинового   покрытия.

Итак, можно утверждать, что дальнейший прогресс в материаловедении все больше опирается на проникновение в тайны материала с помощью методов атомной физики и физики твердого тела и что высокочистые материалы играют все большую роль в качестве модельных веществ для исследований и в разнообразных практических применениях. В дальнейшем наряду с основами физики твердого тела мы подробнее рассмотрим примеры, характеризующие особенности и области применения высокочистых, преимущественно кристаллических материалов. Пока отметим только, что очистка и получение более или менее идеальной структуры требуют очень больших затрат. Полупроводниковый кремний дороже гораздо более редко встречающегося в природе германия

Кроме приведенных здесь материалов в качестве высокочистых рассматриваются также некоторые пластмассы и керамика, но знакомство с ними состоится в последующих главах.