история материаловедение]

121

ное исследование кокаина в лаборатории Айнхорна, исследование, которое привело к формулировке структуры кокаина и его синтезу в 1897 г. Айнхорн сам некоторое время исследовал кокаин, но по известным причинам переключился на поиск синтетического заменителя кокаина, свободного от всех неблагоприятных побочных эффектов этого лекарственного средства. Поэтому открытие новокаина не было случайным. Это был результат интенсивного систематического поиска.

Исследования проводились в очень маленьком помещении химического института Мюнхенского университета у фон Байера. Даже когда прежний сотрудник Айнхорна Рихард Вильштэттер стал ректором института как преемник Байера, Айнхорн продолжал длительно занимать эту более чем скромную лабораторию. Он не имел никаких должностей в университете, служил науке, помогал молодым ученым, содействуя им и поддерживая их исследования. Это было основным принципом его жизни. Подобно алхимикам, он стремился найти некий «философский камень». Но в отличие от их нереальных мечтаний Айнхорн нашел то, что искал.

Впервые в 1898 г. Альфред Айнхорн описал реакции получения поликарбоната. В то время он работал в Мюнхенском университете у знаменитого Адольфа фон Байера и занимался поиском эффективного обезболивающего средства. Экспериментируя с эфирами, он провел реакции фосгена с тремя изомерными диоксибензолами и в осадке получил полиэфир угольной кислоты – прозрачное вещество, термостойкое и нерастворимое.

Новое соединение не представлялось в то время перспективным, скорее оно рассматривалось как примесь, загрязнение, от которого следует избавиться. В последующие годы разные ученые получали поликарбонаты независимо друг от друга как побочные продукты реакций, но целенаправленно искать способы их синтеза начали много позже, уже после, когда распознали уникальные свойства термопластов.

Однако в его жизни были не только удачи. В молодости, когда он начинал карьеру преподавателя университета, его «не заметили». Разочарование было так велико, что он оставил академическую карьеру, никогда больше не желая получить должность. Он даже пытался отговорить своего сотрудника Вильштэттера от его намерения стать университетским профессором. Профессиональная работа Айнхорна, научно насыщенная и практически успешная, становилась менее эффективной, потому что ему приходилось работать в тени двух самых великих химиков того времени. Его многообещающий сын, единственный наследник очень счастливого брака, умер в 1913 г. в возрасте 17 лет. После этого ужасного удара Айнхорн углубился в исследовательскую работу, еще больше отда-

122

вая себя обучению и содействию молодым ученым, которые работали с ним. Когда его стали беспокоить тяжелые брюшные недомогания, он не прерывал свою работу до тех пор, пока серьезное ухудшение состояния не вынудило его лечь на операционный стол. Операция на кишечнике не спасла ему жизнь. А. Айнхорн умер 24 марта 1917 г. в возрасте 61 года. Его ученик Эмиль Ульфельдер, с которым он работал по синтезу прокаина,

внекрологе написал: «Альфред Айнхорн жил только для науки; он всегда был добрым и преданным преподавателем и советчиком своих учеников и сотрудников. Подобно своему другу Паулю Эрлиху Альфред Айнхорн открыл новые пути в химиотерапии». Через 40 лет Вольфганг Шнайдер

встатье к 100-летию со дня рождения Айнхорна суммировал оценку важности этого ученого для химии такими словами: «Уверен, что место Альфреда Айнхорна, определенно, среди выдающихся людей химической науки, которые работали вокруг него половину столетия назад».

Сегодня эталоном местной анестезии в стоматологии является ультракаин. Новокаин отходит на задний план. Тем не менее, мы не должны забывать об Альфреде Айнхорне, скромном и целеустремленном ученом, который подарил человечеству первый всемирно признанный синтезированный местный анестетик под названием «новокаин», спасший миллионы людей от боли. Мы должны быть благодарны ему за исследование, открывшее дверь к современному обезболиванию.

123

ХЬЮ М. РОКВЕЛЛ СТЭНЛИ П. РОКВЕЛЛ

Твердомер Роквелла – машина для определения относительной глубины проникновения – был изобретен уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (англ. Hugh M. Rockwell) (1890–1957 гг.) и Стэнли П. Роквеллом (англ. Stanley P. Rockwell) (1886–1940 гг.) (Впервые измерение твердости по относительной глубине проникновения индентора было предложено еще в 1908 г. венским профессором Людвигом Больцманом в книге «Die Kegelprobe» (дословно «испытание конусом»)) (Прим.

П.Б. Шибаева). Метод определения относительной глубины исключал ошибки, связанные с механическими несовершенствами системы, такими как люфты и поверхностные дефекты). Потребность в этой машине была вызвана необходимостью быстрого определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников. Метод Бринелля, изобретенный в 1900 г. в Швеции, был медленным, не применимым для закаленных сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться как неразрушающий.

Патентную заявку на новое устройство Хью и Стэнли Роквеллы (не прямые родственники) подали 15.07.1914 г., и после ее рассмотрения был выдан патент № 1294171 от 11.02.1919 г. Во время изобретения они работали в компании «New Departure Manufacturing» (Бристоль, штат Коннектикут). «New Departure», являвшаяся крупным производителем шарикоподшипников, в 1916 г. стала частью «United Motors», а вскоре корпорации «General Motors».

После ухода из компании в Коннектикуте Стэнли Роквелл переехал в город Сиракьюс (штат Нью-Йорк) и 11.09.1919 г. подал заявку на усовершенствование первоначального изобретения, которая была утверждена 18.11.1924 г. Новый прибор имел патент № 1516207. В 1921 г. Роквелл пе-

124

реехал в Уэст-Хартфорд (West Hartford), штат Коннектикут, где сделал дополнительные усовершенствования.

В 1920 г. Стэнли сотрудничал с производителем инструментов Чарльзом Вильсоном (Charles H. Wilson) из компании «Wilson-Mauelen»

с целью коммерциализации изобретения и разработки стандартизированных испытательных машин.

К 1923 г. Стэнли основал фирму по термообработке «Stanley P. Rockwell Company», которая все еще существует в Хартфорде, штат Коннектикут. Через несколько лет она, переименованная в «Wilson Mechanical Instrument Company», сменила владельца. В 1993 г. компанию приобрела корпорация «Instron».

125

АЛЬФРЕД ВИЛЬМ

Альфред Вильм (нем. Alfred Wilm) (1869–1937 гг.) – немецкий ученый, химик.

В 1808 г. английским ученым Дэви впервые было высказано предположение о существовании алюминия. Именно он дал это название новому металлу. Однако лишь в 1825 г. датскому ученому Эрстеду и в 1827 г. немецкому химику Велеру удалось выделить первые крупицы алюминия в чистом виде.

Авторы современного способа получения чистого алюминия – американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Разработав независимо один от другого способ получения алюминия электролизом расплавленных солей – расплав криолита с растворенным в нем оксидом алюминия А12О3, они независимо друг от друга в 1886 г. получили патент.

До конца XIX столетия алюминий был дорогим металлом, лишь немного дешевле золота. Датой начала промышленного выпуска следует считать 1890 г. С 1854 по 1890 гг. произведено всего 200 т алюминия,

с 1890 по 1899 гг. – 28000 т, в 1930 г. – 270000 т, за 1968 г. – 8386200 т.

В 60-е годы XX столетия годовой прирост мирового производства алюминия составлял около 15 , а в последние годы он не превышает 5 .

В начале XX в. алюминий применяли только в чистом виде. В машиностроении его не употребляли, так как он был дорог и малопрочен.

История алюминиевых сплавов начинается с открытия в 1906 г. немецким ученым, химиком Альфредом Вильмом первого термически упрочняемого сплава. Предложенный им сплав дюралюмин содержал 4

Cu; 0,5 Mg и 0,5 % Mn. Сплавы типа дюралюмин, такие как Д1 и Д16,

126

широко распространены в современной промышленности. Эти сплавы, наряду с высокой прочностью 400–500 МПа, имеют небольшую плотность.

Хотя по прочности алюминиевые сплавы и уступают сталям, но по удельной прочности значительно превосходят их. Это обеспечило широкое применение алюминиевых сплавов в авиации и ракетной технике.

История появления дюралюминия

В начале XIX в. Альфред Вильм возглавил сектор металлургии в исследовательском институте, расположенном в пригородах Берлина. Он экспериментировал, пытаясь найти высокопрочный сплав алюминия, и в сентябре 1906 г. испытывал очередной сплав, в который, помимо алюминия, входило 4 меди и по 0,5 марганца и магния. Никаких особенных оснований рассчитывать на успех не было. Прочность сплавов оценивали по измерениям твердости.

Сплав получился, как показалось ученому, недостаточно прочным, поэтому он решил его «закалить». Полученные образцы были нагреты до 600 С, после чего Вильм опустил их в холодную воду. Результат опыта ученого удивил – прибор, измеряющий прочность металла, показывал абсолютно разные значения на разных образцах. Решив, что в таком разнобое виноват прибор, Вильм потратил несколько дней на его «починку» и настройку.

Наконец, Вильм вернулся к своим опытам. В планах ученого было повторить эксперимент, но сначала он решил еще раз проверить точность прибора на старых образцах. Увидев показатели первого слитка, Вильм чуть не выронил злополучный измеритель из рук – прочность металла увеличилась почти в два раза. Те же результаты показали и остальные образцы.

Альфред Вильм возобновил опыты, но уже с учетом возникшего «феномена». Вскоре ему удалось определить эффект естественного старения алюминиевого сплава и оптимальный его состав. Разумеется, ученый сразу понял, «чего может стоить его разработка» – он запатентовал ее, а затем продал патент одной литейной компании, которая находилась в городе Дюрен. Имя этой фирмы сейчас мало кто вспомнит, а вот название ее самого известного продукта – дюралюминия (или дюраля) – на устах у всех уже больше 100 лет.

Дюренский сплав заинтересовал знаменитого немецкого конструктора Хьюго Юнкерса – ему нужен был легкий, но прочный металл для создания новых моделей самолетов: деревянные аэропланы братьев Райт его уже не впечатляли. В 1910 г. в цехах завода Юнкерса было сконструирова-

127

но и запатентовано первое цельнометаллическое самолетное крыло из алюминия. А уже в 1919 г. в воздух поднялись первые дюралевые самолеты. Эпоха крылатого металла была открыта.

Первое применение дюралюминия – изготовление каркаса дирижаблей жесткой конструкции, с 1911 г. – более широкое применение. Состав сплава и термообработка в годы войны были засекречены. Благодаря высокой удельной прочности дюралюминий, начиная с 1920-х годах, становится важнейшим конструкционным материалом в самолетостроении.

Контрольные вопросы

1.Каков вклад М.В. Ломоносова в развитие науки о стекле?

2.Какие открытия М.В. Ломоносова послужили развитию материаловедения?

3. Вспомните, какое влияние оказали труды М.В. Ломоносова на ученых эпохи Нового времени?

4.Оказали ли влияние труды П.П. Аносова на ученых своего времени?

5.Какие открытия П.П. Аносова послужили развитию материалове-

дения?

6.Какие открытия Альфреда Вильма послужили развитию материаловедения?

7.Назовите виды материалов, которые исследовал М.В. Ломоносов.

8.Расскажите об истории эволюции создания и применения бетона.

9.Какова роль Ч. Гудиера в создании изделий из резины?

10.Что вам известно о творческом пути Ч. Гудиера?

11.Расскажите о творческом пути П.П. Аносова.

12. Каково значение открытия, сделанного Х.М. Роквеллом и С.П. Роквеллом?

128

История человечества в основном – история идей. У. Герберт

ГЛАВА 5. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ В ЭПОХУ НОВЕЙШЕГО ВРЕМЕНИ (XX–XXI ВЕКА). ВКЛАД ОТДЕЛЬНЫХ ЛИЧНОСТЕЙ В РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ЭТОГО ПЕРИОДА

И вот уже ближе к нашему времени (вторая треть XX в.) можно говорить о развитии третьей синтетической стадии познания – попытке воссоздания целостной картины Мироздания на основе ранее познанных на 2-й стадии познанных частностей. Именно в это период особое значение приобрели проблемы взаимодействия и субординации естественных наук при попытке создания единого взгляда на организацию Мироздания, так как нужно было объективно оценить и вклад каждой из них в общую картину Вселенной и использовать наиболее важные результаты на практике. Ведь именно в этот период возникли вопросы научной этики, проблемы возможного сведения одной науки к другой (редукционизм), углубления классификационных проблем и выработки объективных критериев в разделении естественных наук и т.д. И это понятно, так как число специальных дисциплин достигло 17000. А это уже явно перебор. Вспомним хотя бы критическую «классификацию» наук нобелевского лауреата в области физики Л. Ландау, который предложил делить науки «на естественные, неестественные и противоестественные». Причем особую активность в этот период проявили физики, неудачно пытаясь свести к физике как химию, так и биологию. А в качестве одного из примеров, подтверждающих данный научный «шовинизм» или неразумный редукционизм, можно привести слова известного физика Р. Фейнмана: «Фундаментальная теоретическая химия – это на самом деле физика?!!!» В результате после этого даже многие известные химики потеряли понимание индивидуальности химических и физических веществ, которые имеют различия в своей природе, и того, что химический и физический смысл соответствующего явления различен по сути. Например, академик РАН Ю.Д. Третьяков часто повторяет, что: «Химия и физика неразделимы как сиамские близнецы». А ведь совершенно очевидно, что материальный объект у физики и химии различен (атом и молекула). Мы уже не говорим о том, что образ сиамских близнецов это все-таки образ уродства и неестественности в Природе.

129

Поэтому можно согласиться с мнением профессора Г. Герца: «Химию съела физика и невольно положил начало этому Д.И. Менделеев…», но эта проблема уже решается и сегодня заложены основы теории единой химии, с выделением фундаментальных черт и отличий этой науки от физики (см. монографию О.С. Сироткина «Интегрально-дифференциальные основы унитарной концепции естествознания», Казань, КГЭУ, 2011, 268 с.)

Этот период к началу XXI в. посеял еще большую путаницу в сознании людей и во взглядах ученых на строение вещества, Материи и Мироздания в целом, требуя дальнейших усилий по систематизации накопленных знаний и предложений по совершенствованию концепции естествознания. Ведь рухнули многие традиционные парадигмы: оказывается, что не все вещества состоят из атомов! Стало необходимым различать химические (молекулярные и немолекулярные), физические (атомы, элементарные частицы), биологические, геологические и т.д. вещества друг от друга. Причем каждый из этих типов веществ индивидуален, т.е. характеризуется качественными (фундаментальными) отличиями друг от друга в структуре и свойствах. А поэтому, например, Периодическая система атомов Д.И. Менделеева, по сути, является физической, а не химической (!) и т.д. и т.п.

Особые надежды в этот период связываются с возникновением в 1977–1978 гг. новой междисциплинарной науки – синергетики или теории самоорганизации (Г. Хакен и др.), разрабатывающей общие принципы, которые управляют возникновением самоорганизующихся структур. Эволюция живой материи как процесс самоорганизации продемонстрирована Ч. Дарвином в его фундаментальном труде «Происхождение видов». Синергетика изучает системы как совокупность подсистем различной природы, взаимодействующих между собой, образуя системы макроскопических масштабов. Это направление изучает связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (химических, физических, биологических и т.д.), благодаря обмену веществами и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях – неравновесная термодинамика И. Пригожина. В результате возрастает степень их упорядоченности, т.е. уменьшается энтропия как мера упорядоченностисамоорганизации. Однако до сих пор ясную и единую концепцию естествознания, удовлетворяющую всем основным естественным наукам и научному сообществу в целом, создать не получается.

Выход из этой ситуации, по мнению О.С. Сироткина, наиболее естественен через объединение (интеграцию) в единое целое двойственных взглядов на строение материи (поле и вещество, непрерывность и дискрет-

130

ность и т.д.), а также достижения отдельных естественных наук (дифференциальная компонента). Это возможно, по мнению О.С. Сироткина, в рамках разработки современной универсальной системы Мироздания, опирающейся на картину Вселенной не только на уровне мегамира (гелиоцентрическая модель), а дополненную и моделями строения веществ макро- и микромиров. Фундаментальной основой современной системы, объединяющей материальные объекты Мироздания разных уровней структурной организации, является единство их материальной природы (характеризуемой, прежде всего, конкретным интервалом массы и энергии для конкретного вида объекта, через соответствующие интегральные законы). Но при этом необходимо обязательно учитывать и индивидуальность каждого материального объекта (дифференциальная компонента). То есть на уровне оценки фундаментальных проблем таких отличных по структуре

исвойствам материальных объектов (веществ), как элементарная частица, атом, химическое соединение (включая молекулу), клетку и т.д., не пытаться их сводить друг к другу, как веществам не имеющих специфические отличия. Это различные по элементному (в широком смысле слова) составу, структуре и свойствам вещества, хотя и имеющую единую природу на макроуровне – они все материальны и характеризуются массой и энергией. Но при этом именно разница в специфике материальной природы элементов их составляющих и типа взаимодействия между собой, а также величина массы и энергии или соотношение их вклада в характеристику этих объектов и приводят к разнице в их структуре и свойствах. Вплоть до существования их в виде в виде двух предельных по разнице в структуре и свойствах основных материальных форм – поля и вещества.

Поэтому объективная необходимость совмещения идей 2-й и 3-й стадий развития естествознания и привела к наступлению четвертой стадии. Совпало это или нет, но именно противоречие идей таких выдающихся ученых этих стадий развития знания, как И. Ньютон и А. Эйнштейн,

исимволизировало необходимость эволюции естествознания в четвертую стадию современного ее развития. Поэтому в начале XXI в. имеет смысл говорить о наступлении четвертой интегрально-дифференциальной ста-

дии познания Мироздания на базе результатов новой научной революции:

мир и все разновидности объектов и явлений в нем существующих имеют единую или унитарную материальную природу, но при этом структура системы Мироздания характеризуется многоуровневой структурной ор-

ганизацией. А это позволяет рассматривать Мироздание как единую и одновременно многоуровневую материальную систему (Систему Мироздания как совокупность систем разных уровней материи по О.С Сироткину),