При чем здесь Австралия?

Послушаем материаловедов-прочнистов, людей мудрых и многоопытных. Работают они с самыми разными материалами и хорошо знают, отчего могут меняться их свойства. Большую роль здесь играет реальная структура. Казалось бы, это тривиально: чем совершеннее, тем лучше. Ничего подобного, тут все наоборот: чем совершеннее материал, тем он, как правило, мягче, Потому что очень многое в механических свойствах связано с дислокационными процессами. Дислокации, двигаясь по кристаллу, взаимодействуют с различного рода несовершенствами - элементами реальной структуры. Есть типы несовершенств, которые играют роль "стопоров" для движущейся дислокации. Чтобы продвинуть дислокацию дальше, следует приложить усилие гораздо большее. Такого рода явление называют дисперсионным упрочнением.

Что представляет собой алмаз как реальный кристалл? Об этом очень много пишут, говорят на конференциях. Очень часто упоминают примесный азот. Обнаружили его в алмазах в первый раз в 1959 г., классическая работа Кайзера и Бонда по числу ссылок на рее до сих пор оставляет позади все прочие публикации по алмазам. Так же, как и сам азот далеко обошел все другие примеси.

Азот так азот. Вырезают пластины из кристаллов типа II, так называемых без азотных, нагревают и нагружают в трех точках, пытаются необратимо изогнуть; так же поступают с кристаллами типа I, азотными. Строят зависимость угла изгиба от нагрузки. Действительно, изогнуть такой кристалл труднее, разрешенные нагрузки существенно больше. Готовят из

кристаллов препараты толщиной всего в 1000 А и смотрят под электронным микроскопом. В кристаллах типа II в зоне изгиба очень много дислокаций, в кристаллах типа I их гораздо меньше, и (ВНИМАНИЕ!) очень хорошо видно, что отдельные дислокации садятся на выделениях пластинчатого вида. Пишут статью и направляют в "Philosophical Magazine". Подписано Эвансом и Вальдом, год 1965.

Этот результат говорит прямо: отбирайте образцы, у которых пластинок, стопорящих дислокации, больше. Они не подведут.

А как отбирать? Не будешь ведь из каждого кристалла готовить препараты для электронного микроскопа. Занятие это долгое и очень хлопотное. Нельзя ли как-нибудь побыстрее и попроще?

Тут мы сталкиваемся с весьма любопытным моментом. Уже пять лет подавляющее большинство алмазников глубоко убеждено,; что весь азот в природных алмазах находится в форме пластинок. В моде концепция пластинчатой моноформы 1960 года рождения. Вывод поэтому кажется однозначным: чем больше азота, тем лучше. И лишь химики-неорганики из Новосибирска в том же 1965 г. публикуют в своем родном журнале "Структурная химия" небольшую заметку, где на основании количественного сопоставления рентгеновских и оптических свойств алмазов утверждают, что азот Кайзера и Бонда, связанный с системой полос А в спектрах поглощения, не имеет абсолютно никакого отношения к знаменитым пластинкам. Прямое же отношение к ним имеет узкая линия в спектрах инфракрасного поглощения из группы полос В.

Перепечатанная в расширенной форме через два года в "Докладах АН СССР", эта заметка разделила международную конференцию по алмазам (Англия, 1971 г.) на два лагеря. В одном ее горячо поносили, в другом же лагере усомнились в общепринятом: что-то тут все-таки не так. Как рассказывали автору члены советской де легации 4 равнодушных не было. Сейчас концепция пластинчатой моноформы, в свое время разнесенная по всей физике твердого тела и смежным областям многоголосым эхом статей, обзоров и монографий, растаяла, как мираж в пустыне. И вспоминать-то ее считается неприличным...

Но вернемся к 1965 году. Сопоставим две работы. С одной стороны, видно, что пластинки "умеют" стопорить дислокации. Конечно, может быть не только они, но они-то умеют наверняка. С другой - что оптические свойства пластинок связаны не с системой полос А, как принято считать, а с одной из полос группы В. В группе В три разные системы, т. е. три разных центра, но в подавляющем большинстве природных алмазов они следят друг за другом. А нам, значит, надо следить за ними.

Идее этой уже много лет. Словесную форму после недолгого "висения в воздухе" она обрела в разговоре двух сотрудников новосибирского ИНХа - В. Е. Ильина (он первым увидел в библиотеке свежий журнал с работой Эванса) и автора книги. Но и хорошая идея - до поры до времени всего лишь идея. Потому что ничего не известно об А-центрах, основной форме азота в природных кристаллах. Как они тут работают, может еще лучше пластинок? И что это, собственно говоря, такое - А-центры? Не пластинки - это уже ясно. Но что тогда?

Шевелятся извилины, ставятся эксперименты. Вывод в публикациях неоргаников 1967-1969 гг. достаточно уверенный: А-форма - это пара азотных атомов. Как оценить ее роль в механических свойствах? Для точных цифр нужны точные измерения. Кстати, их нет и до сих пор. А вот для прикидки можно привлечь на помощь Природу. Зададим ей этот вопрос: что упрочняет алмазы сильнее - А- или В-центры? В природной кузнице алмазы испытывали колоссальные нагрузки, и далеко не всегда равномерные. И вот многие из них не выдержали, поддались, деформировались. Отберем деформированные кристаллы, изучим оптические свойства. И не два или три кристалла, а побольше: если уж статистика, то посолиднее, напри мер под сотню. Что такое? Среди них нет ни одного кристалла с интенсивными полосами группы В. В общей массе таких немало, а тут нет. Безазотные деформировались, с азотом в А-форме^* деформировались, а с В-центрами устояли. Вывод: В-центры в этом отношении важнее.

^* (Между прочим, кристаллы с содержанием А-центров выше среднего тоже редко попадают в число деформированных, а с максимальным - никогда. Так что полностью сбрасывать А-центры со счетов в дисперсионном упрочнении категорически нельзя!)

Рис. 2. Так, по данным Клюева с соавторами, увеличивается микротвердость алмаза с ростом содержания В1 -центров (а) и суммарная работоспособность алмазных волок с общим ростом концентрации центров группы В (б). Интересно, что до предельного содержания и в том, и в другом случае еще достаточно далеко. Но в практике предельные кристаллы уже успели завоевать себе громкую славу

Теперь скорее в Австралию! К антиподам, на ту сторону земного шара. Ничего, что вниз головой, небольшое неудобство, зато можно взглянуть на знаменитые австралийские наитвердейшие кристаллы, пощупать, снять спектры. Так и есть, в них же В-центров пруд пруди, видимо-невидимо, пожалуй, максимум, который вообще встречается. Да еще в доброй половине кристаллов из всей кучи. Как тут не понять практиков! Действительно, австралийские алмазы - это завидный материал. По А-центрам?.. Ну, что же, есть, но очень даже умеренно, значит, точно не они главные.

Эта операция (под кодовым названием "Кенгуру"), в которой объединились новосибирские химики и геологи, была проведена еще в начале семидесятых годов. А что же чистая наука прочнистов, точные эксперименты, производственные испытания? Они поставлены в начале восьмидесятых специалистами из ВНИИ-Алмаза под руководством Ю. А. Клюева совместно с киевскими материаловедами и сотрудниками Рославльского завода алмазного инструмента. Методом микровдавливания при высоких температурах показано, что одни из центров группы В, так называемые центры В1, дают прирост микротвердости, пропорциональный корню квадратному из их содержания. Максимальный эффект только от них ожидается почти в два раза больший. А работоспособность алмазных волок вдруг начинает расти с числом В-цептров, да еще как круто.

Читатель, проникнувшись вместе с нами мыслью о благотворности В-центров, вправе задать абсолютно резонный вопрос: "А что это, собственно говоря, такое, В-центры?"