17 января 1912 года Роберт Фолкон Скотт (1868-1912), выдающийся британский полярный исследователь, возглавлявший арктическую экспедицию, вместе с 4 спутниками достиг Южного полюса. К большому разочарованию британцев, до заветной точки они добрались на 34 дня позже норвежской экспедиции во главе с Руалем Амундсенем (1872-1928), который стал первым человеком, достигшим Южного полюса.
18 января члены экспедиции пустились в обратный путь, чтобы уже весной покинуть безжизненный континент. Так как экспедиция продолжалась несколько месяцев, то полярники заблаговременно создали небольшие склады с провиантом и топливом в канистрах, запечатанных оловянными пробками, чтобы на обратном пути можно было воспользоваться данными припасами, но в первом же схроне случилось непонятное: все канистры были вскрыты и пусты. То же самое повторилось и на других складах. Данное обстоятельство во многом предопределило судьбу всех участников: к великому сожалению, все они погибли, так и не добравшись до начальной точки.
Что же случилось? Кто вскрыл все канистры, а главное - зачем? Причину выяснили много позже. Разгадка была в следующем: в обычных условиях олово существует в виде β-модификации (белое олово), которое представляет собой серебристо-белый, мягкий, пластичный металл. При охлаждении белое олово переходит в α-модификацию (серое олово). Фазовый переход сопровождается увеличением удельного объёма на 25%, что приводит к рассыпанию олова в порошок. Одна модификация переходит в другую тем быстрее, чем ниже температура окружающей среды. При −33 °C скорость превращений становится максимальной. Соприкосновение серого олова и белого приводит к «заражению» последнего, то есть к ускорению фазового перехода по сравнению со спонтанным процессом из-за появления зародышей новой кристаллической фазы. Совокупность этих явлений называется «оловянной чумой» (рис. 1).
Некоторые историки считают, что во многом из-за оловянной чумы армия Наполеона потерпела сокрушительное поражение в 1812 году. Во время отступления от Москвы ударили сильные морозы, но так как пуговицы и крючки на мундирах и обуви солдат, элементы амуниции и конской сбруи, даже части артиллерийской упряжи были выполнены из олова, то все они одномоментно пришли в негодность.
На ряде полотен известных русских художников нарисованы толпы отступающих французских солдат, закутанных в платки и шали, а то и подпоясанных чем попало, но без оружия. Невидимый глазу, но вполне осязаемый телом «генерал Мороз» не раз помогал стране в борьбе с интервентами.
Низкотемпературные свойства оказались не изучены, и этот пробел в знаниях сыграл злую шутку с европейцами.
Дальнейшее развитие науки позволило проводить эксперименты при температурах, близких к абсолютному нулю, вследствие чего были открыты такие явления, как сверхтекучесть и сверхпроводимость.
Сверхтекучесть – способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости) при температурах близких к абсолютному нулю, протекать через очень узкие щели и капилляры без трения. При температуре абсолютного нуля энергия и импульс атомов изменяться не могут, поэтому при взаимодействии с твёрдым телом не происходит передачи импульса, то есть вязкость не возникает. За исследования в данной области советские учёные Л.Д. Ландау (1908-1968) и П.Л.Капица (1894-1984) получили Нобелевскую премию по физике в 1962 и 1978 гг. соответственно. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия (рис.2), однако в 2000-е годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах.
Сверхпроводиимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.
Данный эффект возникает при сверхнизких температурах. В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход уже при температуре 203 К (-70 °C).
Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это было продемонстрировано в ходе эксперимента, где в замкнутом сверхпроводнике был индуцирован электрический ток, который протекал в нём без затухания в течение 2,5 лет (эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенные жидкости).
Нулевое сопротивление – не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера (рис. 3), который заключается в полном вытеснении магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером (1882-1974) и Р. Оксенфельдом (1901-1993).
Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередач с несколькими кабелями много большей толщины. Проблемами, препятствующими широкому использованию, является стоимость кабелей и их обслуживания – через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот.
Сверхпроводники также применяются в поездах на магнитной подушке (маглевах).
Маглев (рис.4) – это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью полотна существует зазор, трение между ними исключается, и единственной тормозящей силой является аэродинамическое сопротивление.
Скорость, достигаемая поездом на магнитной подушке, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушному транспорту на ближне- и среднемагистральных направлениях (до 1000 км), однако ряд экономических и технических ограничений не позволяют технологии развернуться в полную силу.
В настоящий момент времени маглев рассматривается в качестве одного из вариантов реализации скоростной железнодорожной трассы Москва – Санкт-Петербург.
Долгое время считалось, что металлы и их сплавы не обладают эффектом памяти. Например, согнув стальную проволоку, она самостоятельно не может вернуться в исходное состояние ни при каких условиях. Явлением, тесно связанным с эффектом памяти формы, является сверхупругость – свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.
Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана (нитинол). Интерметаллид представляет собой соединение титана и никеля в процентном соотношении 45 %– 55 % соответственно и с равным количеством атомов каждого вещества. Название получил из сочетания формулы (NiTi) и сокращения названия места, где он был разработан (NOL, США).
Необычно то, что данное соединение обладает свойством памяти формы. Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления, то она запомнит эту форму. После остывания до комнатной температуры деталь можно как угодно деформировать, но при нагреве выше +40 °C она восстановит первоначальную форму (рис. 5). Такое поведение связано с тем, что, фактически, этот материал является интерметаллидом, а не классическим сплавом, и свойства исходных материалов (Ni, Ti) практически в нём не выражены. Уникальным его делает свойство, благодаря которому при закалке взаимное расположение атомов упорядочивается, что приводит к запоминанию формы.
На конец 20 века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов.
Необычные свойства нитинола приглянулись и фокусникам. Так, израильский иллюзионист Ури Геллер (род.1946) стал известным на весь мир благодаря сгибанию металлических ложек одной только силой мысли (рис. 6).
Нетрудно догадаться, каким образом он «проворачивает» данный фокус. Вместо ложки иногда применяется гвоздь, проволока, скрепка или любой другой предмет. В некоторых источниках указано, что помимо нитинола может быть использован галлий, температура плавления которого +29,8 °C.
Изделия из нитинола широко используются в промышленности. Свойство сверхупругости используется в том числе для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии.
Также используется эффект памяти формы в изготовлении ювелирных изделий, например, в украшениях в виде цветка, при нагревании которого прикосновением тела лепестки цветка раскрываются, обнажая спрятанный внутри драгоценный камень. Весьма не обычно, не так ли?
Все мы хорошо знаем, что при определённых температурах вещества кипят, плавятся, испаряются. В данной статье были показаны лишь некоторые примеры того, как температурные метаморфозы позволяют получить то, что находится за гранью традиционных знаний о поведении материалов в природе.
Материал статьи подготовлен с использованием материалов следующих источников:
http://ru.wikipedia.org – свободная энциклопедия Википедия.
