# Естественное в искусственном

Леонид Александрович Ашкинази

Естественное в искусственном


Поначалу человек использовал естественные материалы -- камень, дерево, шкуры и шерсть животных, волокна растений, выделения шелковичного червя. Металлы, кроме золота, серебра и металлов платиновой группы, человек получает в основном из соединений. Поэтому металлы -- это искусственные материалы. Из неметаллов естественными можно считать графит, заметную часть алмазов и серы, остальные -- искусственные. Со временем естественные материалы стали понемногу заменяться искусственными, иногда созданными с некоторым подражанием природе, иногда без такового. Камень уступает место бетону и прочим композитам, дерево -- опять же композитам на его основе, естественное волокно уступает искусственному, шкуры и меха отчасти сдают позиции под напором зеленых. Это -- естественный процесс хотя бы потому, что технологические возможности человека намного шире, чем в природе. Больше диапазон температур, давлений, напряженностей полей, скоростей и ускорений и сочетаний всех этих параметров. В таких условиях даже лобовой подход, "полный факторный эксперимент", что-то бы дал. А ведь у человека есть еще и мозги.


Электротехника и электроника всегда интересовались искусственными материалами по довольно случайной причине. Основные проводниковые и резистивные материалы -- медь, серебро, нихром и прочие -- могут работать при температурах более высоких, чем природные изоляторы. Естественное решение -- керамика и стекло, они давно известны людям. Но электрикам были нужны тонкие слои термостойкой изоляции, очень желательно, чтобы еще и гибкой. Из керамики и стекловолокна такое сделать можно, но до керамического волокна был еще век, до стекловолокна -- полвека. Однако в природе нашлись асбест и слюда.


Асбест -- это Mg3[Si2O5](OH)4, состав может слегка варьировать за счет изоморфного замещения. И это не единственный минерал, который образует нитевидные кристаллы. В литературе упоминаются волокнистые кристаллы золота, серебра, меди, олова, свинца, селена, серы, карбоната кальция и гипса. В форме нитей и волокон в природе кристаллизуется множество разных соединений, но только асбест делает это в промышленных масштабах. Он кристаллизуется в виде трубочек внешним диаметром около 26 нм, внутренним -- около 11 и длиной от миллиметра до сантиметров; как и аналогичные структуры из органических материалов, их называют элементарными волокнами, или фибриллами. Термостойкость материала -- 400--500oC, в зависимости от принятого критерия. Из фибрилл удается более-менее обычными способами делать пряжу, нить, шнурок, ленту, ткань


и вообще все, что можно делать из волокон, например бумагу и картон. И все эти материалы активно применялись в электротехнике, причем в некоторых случаях им поначалу не было конкурентов. Попутно делались попытки создать искусственный асбест, удались они лишь отчасти, но природный был заметно дешевле, так что с этой стороны ему ничего не грозило. Потом появилось стекловолокно, более термостойкое, имеющее большое электрическое сопротивление, не гигроскопичное, но подороже. И оно бы понемножку мирно вытеснило асбест -- в той мере и по мере того, как электротехника стала бы использовать его преимущества. Ну и, конечно, под влиянием изменения цен.


Но у асбеста давно была и остается другая область применения, существенно более массовая -- строительство. Там нет высоких температур, и там не важны его диэлектрические свойства, в строительстве асбест используют как компонент композиционных материалов, просто как дешевую нить. А тонкие волокна некоторых видов асбеста при попадании в легкие -- канцерогенны. Разумеется, уже изготовленная компактная деталь из композита, содержащего асбест, безопасна, но в производстве, если пренебрегать правилами техники безопасности, асбест может быть вреден.


Как всегда, нашлись интересанты, те, кто на воплях о смертельной опасности, нависшей над человечеством, делали себе политический капитал. Нашлись также деловые люди, которые хотели захватить часть рынка стройматериалов и компонентов для их производства. Вторые, надо надеяться, не обошли своей заботой первых, и вместо серьезного анализа и разумных мер безопасности начались попытки запретить все, всегда и везде. Поэтому Европа нынче для российских производителей не рынок, но Китай, Иран и Индия покупают.


История слюды тоже непроста. Основные ее виды -- мусковит KAl2(AlSi3O10)(OH)2 и флогопит KMg3(AlSi3O10)(OH)2. Диэлектрические свойства лучше у первого, второй более термостоек, состав обоих может слегка варьировать за счет изоморфного замещения. Слюда легко расщемляется на тонкие листики, толщиной до единиц микрон, причем упругие и прочные -- на согнутый листик в 20 мкм можно спокойно положить весомый грузик


На такое способны и другие вещества -- например, тонкие, но не упругие листочки образуют хлориты. Иногда нечто слюдоподобное дает аурипигмент As2S3, сульфид мышьяка. Однако в промышленных масштабах добывают только слюду, и свойства ее уникальны.


Искусственную слюду получают в электропечах, сплавляя при 1370oC MgO, Al2O3, SiO2, K2SiF6 и ортоклаз К[АlSi3О8] в стехиометрических количествах и затем медленно охлаждая расплавленную массу. Полученная этим способом слюда имеет ту же структуру, что и природная, но вместо (OH)2 у нее F2, и в результате выше термостойкость -- 800--1100oC вместо 500--600oC для мусковита и 800--900oC для флогопита (точная цифра зависит от образца и принятого критерия). В традиционных электронных лампах


применяли природную слюду для крепления всей начинки, в счетчиках Гейгера


и СВЧ-приборах клистронах в качестве выходного окна


-- и природную, и синтетическую. Более того, в СВЧ-приборах ее используют по сей день -- например, в лампе бегущей волны диапазона 220 ГГц (разработка 2012 года, Калифорнийский университет в Дэвисе, США). Это означает, что по комбинации параметров -- электрических и технологических -- слюда в некоторых случаях пока побеждает керамику.


Почему судьбы слюды и асбеста оказалась частично разными, хотя оба материала "выжили"? Для слюды -- сработала комбинация трех факторов:


-- отличные базовые качества -- термостойкость и диэлектрические свойства;


-- технологическая уникальность -- сверхтонкие прочные пластины большого размера;


-- удачное подражание с усовершенствованием -- создание искусственной слюды.


Асбест оказался не столь хорош по диэлектрическим свойствам, и человек не сумел сделать искусственный асбест, возможно, поэтому у него не нашлось узкой и важной области применения, как у слюды. Однако в широкой области (стройматериалы и др.) у него оказалось другое преимущество -- дешевизна. Она обеспечивает его выживание, несмотря на жуткие крики про жуткую вредность. Которая, конечно, требует грамотной организации производства и применения соответствующих защитных средств, а не криков.