история материаловедение]

161

Яков Ильич, конечно, согласился. Он сам был прекрасно осведомлен о работах Зоммерфельда и других ученых в этой области. Переводя доклад, Френкель комментировал некоторые мысли Зоммерфельда и писал формулы, поясняя ход рассуждения и упрощая более сложные математические выражения, представляемые докладчиком. После окончания доклада Зоммерфельд горячо поблагодарил Френкеля и, указывая на формулы, написанные на доске, добавил: «Я сам узнал много полезного для себя, чего ранее и не подозревал».

Направляясь из Берлина на конгресс в Комо – маленький городок в северной Италии, Френкель побывал проездом в «вечном городе» – Риме. Френкель несколько раз побывал на экскурсиях, устраивавшихся для делегатов конгресса, но он решительно отказался пойти на прием, устроенный диктатором Муссолини для участников конгресса. Френкель также категорически отказался отправиться на прием к губернатору Рима и не присутствовал на аудиенции, которую дал папа Пий XI делегатам конгресса.

В 1930 г. Френкель побывал в США, куда он был приглашен в качестве «гостевого профессора» Миннеаполисского университета. В этот период Яков Ильич читал лекции в американских университетах, знакомился с научно-исследовательскими физическими институтами и участвовал в научных конференциях нескольких штатов.

Многие исследования Френкеля быстро завоевывали широкое признание. Кроме электронной теории металлов, теории жидких тел и других, мировую известность получили «экситоны Френкеля» и его работы по теории ядра, выполненные в 30-х годах.

Экситоны, статистическая модель ядра, капельное деление тяжелых ядер могут служить яркими примерами научного творчества Френкеля. Конечно, этого недостаточно для того, чтобы дать представление о широком круге выполненных им работ в различных областях теоретической физики.

Значение открытий Я.И. Френкеля

Френкель – один из выдающихся основателей советской теоретической физики. Своими работами он внес ценный вклад в советскую и мировую науку и содействовал успехам современной теоретической физики.

Френкель, как физик-теоретик, с самого начала вступления на путь ученого заинтересовался теми проблемами, которые были наиболее актуальными для науки его времени и, вероятно, всего века. Многие из них до сих пор не утратили своей актуальности и еще не решены полностью.

К началу нашего века исследования электричества и электромагнетизма, оптических явлений, газовой динамики заложили основу для воз-

162

никновения новых идей в области молекулярного строения вещества, в частности строения твердого тела и жидкостей, оптических и электрических явлений, происходящих в веществе.

Эти области привлекли внимание Френкеля благодаря тому, что казались сложными и даже недоступными для физика-экспериментатора, в то время как было очевидно, что они призваны сыграть первостепенную роль в развитии физики. Речь идет не только о том, что исследователи не обладали необходимыми средствами для экспериментирования, но не существовало квантовой механики, с помощью которой позднее ученые разрешили многие сложные проблемы вещества.

Теоретические работы Френкеля объясняли многие физические процессы в свете квантово-механических идей, разработанных после Бора многими учеными, в том числе Полем Дираком и Максом Борном, у которого Френкель работал в Геттингене, Луи де Бройлем, Эрвином Шредингером и Вернером Гейзенбергом. Эти процессы не могли быть удовлетворительно объяснены с помощью классической ньютоновой механики.

В начале Великой Отечественной войны в крайне суровых условиях жизни Френкель продолжал вести научную работу в институте, совмещая ее с чтением лекций студентам Казанского университета. Он также выезжал в командировки в высшие учебные заведения и научно-исследовательские институты других городов для чтения лекций и консультаций.

За лето и осень трудного 1943 г. Яков Ильич написал одну из выдающихся своих монографий «Кинетическая теория жидкостей». Академик И.Е. Тамм писал, имея в виду эту работу, что в истории науки редко встречаются примеры, когда физик излагал бы столь обширную область науки, основываясь в такой степени на собственных идеях и работах. Этот труд Я.И. Френкеля был отмечен Государственной премией первой степени.

После продолжительной болезни в ночь на 23 января 1952 г. Я.И. Френкель скоропостижно скончался.

Когда умер Френкель, в научных журналах по физике рядом с некрологами о нем оказались и его научные статьи. Они были напечатаны отнюдь не в связи со смертью ученого. Нет, просто подошла их очередь для опубликования.

Спустя много лет – в 1961 г. – Борн писал о Френкеле: «Френкель был моим сотрудником в Геттингене в 20-х годах, и я высоко ценил его. Он был буквально заполнен идеями и вместе с тем превосходно владел всей техникой, они всегда были плодотворными. Я с большим интересом знакомился с его последующими статьями и книгами. Его ранняя смерть причинила мне большое огорчение».

163

КАЛВИН ФУЛЛЕР, ДЭРИЛ ЧАПИН, ДЖЕРАЛЬД ПИРСОН

Калвин Фуллер (англ. Calvin Souther Fuller) (25 мая 1902 г. – 28 октября 1994 г.) был физико-химиком в AT & T Bell Laboratories, где работал

втечение 37 лет с 1930 по 1967 г. Он участвовал в разработке синтетического каучука во время Второй мировой войны, был вовлечен в проведение экспериментов по зонной плавке, а также принял участие в работе по созданию первых солнечных батарей с высокой эффективностью.

В1954 г. Джеральд Пирсон, Дэрил Чапин и Калвин Фуллер изобрели первые солнечные батареи и разработали первые практичные кремниевые солнечные элементы, такие как в калькуляторах и пультах дистанционного управления.

Джеральд Пирсон (англ. Gerald Pearson) (31 марта 1905 г., Салема – 25 октября 1987 г.) – американский физик, член Национальной академии наук – исследовал процессы в фотоэлементах, транзисторах, диодах, шумы

вэлектронных лампах и резисторах, контактную эрозию; получил медаль М. Смолуховского.В 1929 г. окончил Станфордский университет. В 1929–1960 гг. работал в компании «Bell Labs» (США), в 1957–1960 гг. – руководитель отдела прикладной физики твердого тела, в 1960–1971 гг. – профессор Станфордского университета. Его работы посвящены физике твердого тела, физике полупроводников, твердотельной электронике.

Дэрил Чапин (англ. Daryl Chapin) (21 июля 1906 г., г. Элленсберг, Вашингтон – 19 января 1995 г.) – изобретатель. Наиболее известен как один из создателей кремниевый солнечных ячеек. Чапин был ученым в течение более 40 лет и продолжал изобретать вплоть до своей смерти.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии, который ученые называют наиболее перспективным в долговременном развитии мировой энергетики, на самом деле довольно стар, просто сегодня он получил новый импульс. Многие из нас не подозревают, что способ по-

164

лучения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839 г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873 г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Первая научная работа по селеновому фотоэлементу была опубликована в 1876 г. в Британии. Лишь в начале 50-х годов XX в. солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Солнечная батарея – батарея солнечных элементов, полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Действие солнечных эле-

ментов (СЭ) основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Первые СЭ с практически приемлемым К.П.Д. преобразования (~6 ) были разработаны Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным (США) в 1953–1954 гг. Большой вклад в развитие теории и практики СЭ внесли также В.С. Вавилов, А.П. Ландсман, Н.С. Лидоренко, В.К. Субашиев (СССР); М. Вольф, Дж. Лоферский, М. Принс, П. Рапопорт (США). Ученые из компании «Bell Labs» разработали солнечную батарею, состоящую из кремниевых элементов. Батарея преобразовывала в полезную энергию (электрический ток) только 6 солнечного света. Изобретение стало возможным благодаря исследованиям Рассела Ола (англ. Russell Ohl).

Главное применение солнечные батареи нашли в космонавтике, где они занимают доминирующее положение среди других источников автономного энергопитания.

165

5.2. Полимерные материалы

ЛЕО ХЕНДРИК БАКЕЛАНД

Ле́о Хе́ндрик Ба́келанд (англ. Leo Hendrik Baekeland) (14 ноября 1863 г., Гент, Бельгия – 23 февраля 1944 г., Бикон, штат Нью-Йорк, США) – американский химик и изобретатель бельгийского происхождения, изобрёл фотобумагу (1893 г.) и бакелит (1907 г.) – недорогую, негорючую пластмассу универсального применения.

Семья Лео Бакеланда жила очень скромно. Отец Карел работал сапожником, и молодой Лео также осваивал это ремесло. Отец был резко против его дальнейшего обучения, но мать – Розалия, работавшая служанкой, всегда считала сына очень способным (по крайней мере, если верить книге Гарольда Эванса «Они создали Америку»). Розалия добилась стипендии для обучения сына в правительственной школе, где он впоследствии достиг больших успехов. Детское увлечение фотографией привело Лео к изучению химии. Он с отличием окончил Университет Гента, учась под руководством проф. Теодора Свартса. После недолгого учительствования в школе Лео Байкленд возвращается в свою альма-матер, чтобы продол-

жить исследовательскую и преподавательскую работу.

ВБельгии Лео Бакеланд был «восходящей звездой», но он никогда не сожалел о том, что покинул родную землю, отказавшись от столь почетного «титула». Все свои знаменитые открытия он сделал в США.

ВГенте Лео Бакеланда ожидала бы спокойная работа и стабильная финансовая поддержка. Но в Америке прогрессивные идеи прикладной науки и торговли служили экономическому процветанию, развивая дух со-

166

перничества. И Нью-Йорк был его эпицентром. «Он чувствовал, что атмосфера Нью-Йорка больше соответствует его образу мыслей и его светлым мечтам создать что-то необыкновенное», – вспоминает Хью Карракер, правнук Лео Бакеланда. Карракер, живущий в Коннектикуте, посвятил себя популяризации достижений Лео Бакеланда в год 100-летнего юбилея открытого им бакелита.

Повинуясь своей любви к фотографии, Лео Бакеланд начал работать химиком на предприятии фотопромышленности. Десять лет спустя он стал партнером в компании, которая разработала фотобумагу «Velox». В 1899 г. Джордж Истмэн, чья корпорация «Eastman Kodak» «доносила» разработки в области фотографии до населения, выкупил «Velox» за 1 млн долларов.

Едва достигнув 36-летнего возраста, Лео Бакеланд уже был миллионером. Он с семьей переехалв имение Снаг Рок в Йонкере с видом на Гудзон. Лео Бакеланду можно было больше и не утруждать себя работой, но, по словам его правнука, знаменитый химик и не думал о том, чтобы так рано выйти на пенсию. Заработанные деньги он направлял на финансирование независимых исследований в области, которой занимался еще в Гентском университете: химические реакции между фенолами и формальдегидами.

Лео Бакеланд был не из тех, кто довольствуется тем, что имеет. Неутомимый исследователь, он подвергал сомнению все истины, не останавливаясь в своем поиске замены шеллаку.

Великий химик не любил жизнь высшего общества. «Он всю жизнь боролся с пагубным влиянием денег, презирая все проявления роскоши», – говорит Карракер, – «Он считал всех богачей бездельниками и не хотел ни в коем случае разделять их судьбу. У Лео Бакеланда было совершенно однозначное отношение к тем, кто придает слишком большое значение деньгам».

В далеком 1907 г. американский химик Лео Бакеланд разработал бакелит – материал на основе фенольных смол, ставший первым в истории синтетическим пластиком. В результате получилась особая смола, которая пропитывала волокнистый наполнитель, быстро затвердевала и принимала нужную форму. Бакелит не кипел, не горел, не плавился и не изменялся под воздействием кислот или растворителей, что и сделало его лучшим из всех придуманных до этого «пластиков». Бакелит стал первым в мире термореактивным пластиком, который сохранял форму при любых об-

стоятельствах. Известные прежде целлулоидные изделия были нестабильны и могли переплавляться множество раз. К тому же бакелит обладал хорошей электроизоляцией, был химически стабильным, жаростойким, его форма и цвет не изменялись под влиянием солнечных лучей, морской соли.

167

Фенольная смола сначала использовалась как легко формующийся высококачественный изолятор, защищающий от воздействия высоких температур и электрического тока, а затем стала главным материалом стиля Art Deco.

Фенолоформальдегидная смола – первая синтетическая пластмасса, «рожденная из тайны и огня», как написал о ней журнал «Time». Лео Бакеланд подал заявку на свой знаменитый патент «тепла и давления» 13 июля 1907 г. и получил его в США 7 декабря 1909 г. Практически сразу материал стал сенсацией. Он появился как раз в тот момент, когда электрическая и автомобильная промышленность только зарождались. Производители искали изолирующий материал, который бы легко формовался и стоил недорого. Железные дороги, телефонная связь, авиация, фотография

–

все области требовали прочного высококачественного материала, который не мог быть изготовлен из имеющегося на тот момент сырья.

Первый коммерческий продукт, полученный методом прессования бакелита, – торцы каркаса катушки высокого напряжения – был произве-

ден «Boonton Rubber Сorporation».

Устойчивый к температурным воздействиям, влажности и кислотам, бакелит был практически неразрушим. Постепенно он заменил изоляторы из резины, шеллака и гуттаперчи. Вскоре его стали использовать в тостерах, кофемашинах, фенах для волос, электрических утюгах, пылесосах, ламповых патронах, наушниках и т.д. Что касается автоматики, то здесь самым значительным стало применение бакелита в крышках распределителей и радиаторов, приборных панелях, дверных ручках и классических штурвалах управления для эксплуатации в тяжелых условиях, сформованных из белого и коричневого бакелита.

Фенолоформальдегидная смола привнесла «стильность» в дизайн радио и ручек Паркер – предметов, представляющих сегодня большую ценность для коллекционеров.

Однако бакелит не был первой пластмассой. В зависимости от трактовки слова, пластмассой могут быть названы и кости животных, поскольку в размягченном виде им можно придать любую форму. С середины 1880-х годов некоторые компании стали использовать прессы плунжерного типа, чтобы формовать шеллак и гуттаперчу в пуговицы, расчески, ювелирные украшения и сувениры. К 1907 г. нитрат целлюлозы уже значительно устарел. Англичанин Александр Паркес получил первый патент на материал, названный парксином, между 1855 и 1865 гг., если верить книге «История пластмасс – США» Гарри Дюбуа. В 1870 г. американский

168

изобретатель Джон Уэсли Хайатт запатентовал целлулоид. Парксин быстро вышел из применения, и целлулоид занял его место.

Но, в отличие от целлулоида, бакелит не горел и не плавился, а ацетилцеллюлоза, как более безопасная альтернатива, к тому моменту еще не появилась на рынке. Кроме того, бакелит был термореактивным пластиком – однажды приняв определенную форму, он не мог быть снова расплавлен. Это сделало его износостойким материалом, отлично подходящим на роль изолятора. Муфты магнето из бакелита и другие детали позволили разработать современную систему зажигания «Делко», оставив в далеком прошлом механизм ручного завода.

Оба первых термопластических пластика (нитроцеллюлоза и ацетатцелюллюлоза) считались полусинтетическими или «натуральными» пластмассами, поскольку в их состав входили натуральные материалы – древесная целлюлоза или хлопок, модифицированные кислотами. А бакелит был на 100 синтетическим.

Интереснейшим и ценнейшим свойством бакелита является то, что он может быть получен в трех различных видах (в зависимости от степени конденсации). Эти виды бакелита обозначали «А», «В» и «С».

Бакелит «А» – начальный продукт конденсации. При обыкновенной температуре сохраняется в жидком легко подвижном, вязком, тестообразном или твердом виде. Твердый бакелит «А» при нормальной температуре хрупок, как канифоль, растворим в алкоголе, ацетоне, глицерине, феноле и в натровом щелоке, причем смешивается с этими веществами во всех пропорциях. Если осторожно (при слабом нагревании) плавить твердый продукт, то он, охлаждаясь, снова превращается в твердый продукт, при этом сохраняя способность растворяться в перечисленных выше растворителях. Бакелит «А» имеет окраску от бесцветной до желтой. Если нагревать бакелит «А» сильнее, то он переходит в бакелит «В», который является промежуточным продуктом для получения неплавкого и нерастворимого продукта.

Бакелит «В» – при обыкновенных условиях тверд и хрупок, но несколько более прочен, чем твердый бакелит «А». Отличается от бакелита «А» тем, что в указанных выше растворителях не растворяется – в ацетоне, феноле и терпенеоле лишь разбухает. При нагревании не плавится, но сильно размягчается, превращаясь в резиноподобную пластическую

при дальнейшем нагревании в определенных условиях она снова твердеет, причем достигает конечной степени конденсации, давая неплавкий и нерастворимый продукт – бакелит «С».

169

Бакелит «С» – конечный продукт конденсации, неплавкий, нерастворимый во всех растворителях. Если первичный продукт конденсации нагреть до 100 С, то произойдет бурная реакция с выделением газообразных продуктов, и получаемый бакелит «С» будет в виде губчатой или пузырчатой массы и, следовательно, для многих технических целей негоден. Поэтому нагревание нужно производить осторожно. Обыкновенно полученный бакелит «А» в твердом виде растирают в порошок и смешивают

ссоответствующими наполняющими веществами, и формуют в обогреваемых гидравлических прессах.

Наполняющими веществами могут служить древесные опилки, слюда, графит, песок, асбест и вообще разные волокнистые материалы, а также ламповая сажа, пигменты, краски, минеральные материалы, пемза и т.п. Наполнители уменьшали усадку бакелита и возможность появления трещин. Особенно ценные свойства приобретают бакелитовые композиции

сволокнистыми материалами. Кроме того, волокнистые материалы можно пропитывать жидким бакелитом «А», причем бакелит связывается с ними, а не остается на их поверхности, как это бывает с резиной или целлулоидом, вследствие чего получаются композиции более прочные. Композиции

спорошковатыми наполнителями гораздо труднее пропитываются жидким

бакелитом и поэтому более хрупки. Наполняющие вещества могут быть прибавлены в количестве от 60 до 80 . Прессовка происходит в железных

формах под гидравлическим прессом, причем температуру форм повышают до 160–180 С. Бакелит «А» при тщательном заполнении формы совершенно сцепляется с наполняющими веществами и под действием тепла переходит в бакелит «В». Этот продукт хорошо заполняет форму и перестает быть плавким. Отформованные куски бакелита «В» под действием теплоты можно перевести в бакелит «С». Переход производится без форм. Если нагревание производить в обычных условиях, то в бакелите образуется множество пузырьков. Во избежание образования пузырей, отформованные куски помещают в особый прибор, называемый «бакелизатором», т.е. в автоклав, в котором создается повышенное давление подведением сжатого

воздуха или углекислоты. Можно также нагревать бакелитовую массу в герметически закрытом сосуде, в котором давление образуется само собой.

Лучше, чем «жучки»

Конечно, в своем поиске лучшего изолятора Лео Бакеланд был не одинок. Использование шеллака являло собой одну из самых насущных тем в химических исследованиях на стыке двух столетий. Единственным

170

источником шеллака были экскременты женской особи лакового червеца, распространенного только в Индии и Юго-Западной Азии.

Другие исследователи также работали над смешиванием фенола и формальдегида, приводившим к появлению клейкого полиэфира, наполненного стекловолокном. Изначально целью Лео Бакеланда было найти замену шеллаку.

На протяжении нескольких лет, когда на горизонте уже забрезжил грядущий XX в., Лео Бакеланд методически записывал результаты своих опытов с бесчисленными комбинациями различных условий – добавлением растворителей, агентов и наполнителей, изменением уровня тепла

идавления. Снова и снова его попытки заканчивались неудачами. Наконец он обнаружил, что повышение температуры ускоряет скорость химической реакции, а давление сдерживает ее. В своем дневнике он записал, что материал, созданный им, «нерастворим во всех растворителях и не размягчается». Он дал веществу имя, которое может понравиться только химику: оксибензилметиленгликольангидрид. К счастью, в его записях встречается

иболее благозвучное, уже известное нам название – «бакелит». Вскоре о бакелите узнали миллионы людей по всему миру.

Для изготовления материала Лео Бакеланд разработал яйцевидный сосуд высокого давления, названный им «бакелайзером», с помощью которого мог изменять температуру и давление и контролировать химическую реакцию (рис. 7), и прозванный работниками «старым другом». Сейчас бакелайзер хранится в Национальном музее американской истории Смитсоновского института в Вашингтоне. Применение этого аппарата обеспечило создание экономичного метода изготовления прессованных изделий.