Стальной брусок весит как кусок сухой сосны, в воде не тонет, а если направить на него горелку с температурой в тысячу градусов - с обратной стороны он останется лишь слегка теплым. Но самое интересное происходит на полигоне. В этот «воздушный» материал стреляют бронебойной пулей, и она не пробивает его, а буквально рассыпается в пыль при ударе.
Это пенометалл - материал, который инженеры пытались создать полвека. Почему же, если он такой идеальный, мы до сих пор ездим в машинах из тяжелой стали, а бронежилеты весят по 10 кг? Ответ кроется в адской сложности его производства.
Парадокс пустоты: почему дырки прочнее монолита
Идея кажется абсурдной. Как может материал, на 70–95% состоящий из пустоты, быть эффективнее цельного куска металла?
Весь секрет в поглощении энергии. Обычный металл твердый, он отлично передает ударную волну. Если ударить кувалдой по стальной плите, вибрация пройдет насквозь. Пенометалл работает иначе: при ударе миллионы микроскопических перегородок внутри него начинают последовательно сминаться.
Это похоже на зону деформации в современном автомобиле, только сжатую до толщины в пару сантиметров. Исследования Университета Северной Каролины показали, что энергия пули или взрыва тратится не на пробитие, а на сминание этих пузырьков. В их экспериментах бронебойный снаряд калибра 12,7 мм, столкнувшись с композитной металлической пеной (CMF), терял всю кинетическую энергию и превращался в облачко металлической крошки.
Проклятие гравитации: почему это так сложно
Если пенометалл так хорош, его должны отливать на каждом заводе. Но тут в дело вступает физика. Металл тяжелый, газ легкий.
Попробуйте взбить пену в стакане с водой - пузырьки моментально поднимутся вверх. А теперь представьте, что это расплавленный алюминий при температуре 700°C. При попытке вспенить металл происходит два процесса, которые портят всё. Во-первых, тяжелый жидкий металл стекает вниз по стенкам пузырьков (дренаж), и пена «опадает», превращаясь в плотный слиток на дне. Во-вторых, мелкие пузырьки сливаются в крупные, или происходит коалесценция. В итоге вместо прочной губки получается кусок металла с огромными дырами, который ломается от щелчка.
Чтобы обойти это, ученым приходится идти на хитрости. В расплав добавляют частицы керамики, чтобы сделать его вязким как кисель, и только потом вдувают газ. Или используют порошки (например, гидрид титана), которые при нагревании выделяют водород, вспенивая металл изнутри, словно дрожжи тесто.
Самый прочный класс - синтактическая пена - делается еще сложнее. Берут готовые полые шарики из металла или керамики и заливают их расплавленной матрицей. Это ювелирная работа: каждый миллиметр должен быть заполнен, иначе броня треснет.
Где это применяется уже сейчас
Пока массовое производство только налаживается, пенометалл занимает ниши, где цена не имеет значения, а свойства решают всё.
Например, это идеальный несгораемый щит. Металлическая пена практически не проводит тепло. Эксперименты показывают, что она выдерживает воздействие пламени в течение 30 минут, при этом температура с обратной стороны остается безопасной. Это решение для защиты космических кораблей при входе в атмосферу или для изоляции реакторов.
В медицине титановая пена становится лучшим материалом для протезов. Обычный титан слишком твердый (модуль упругости 110 ГПа против 15-30 ГПа у кости), и кость вокруг него со временем деградирует из-за отсутствия нагрузки. Новые исследования доказывают, что пенистый титан по упругости идентичен человеческой кости. Более того, организм воспринимает такой имплант не как чужеродное тело, а как каркас: живая ткань прорастает сквозь поры металла, намертво вживляя протез.
Уже существуют проекты противоминной защиты, где днище военной техники делают из такого материала. Оно не передает ударную волну экипажу, а сминается, забирая энергию взрыва на себя. Возможно, через 10 лет и гражданские автомобили будут сделаны из такого «твердого воздуха», став легче в два раза и безопаснее в десять.