Давайте совершим такую экспресс-экскурсию по обычным материалам и посмотрим, как они работают.
Замечательные металлы
Железо – один из самых простых по структуре материалов. Если «открыть» его, как картонную коробку, и заглянуть внутрь, то можно увидеть что-то вроде сотен маленьких мраморных шариков. Каждый такой прочный шарик представляет собой один атом железа. Атомы плотно «упакованы» в ряды, которые расположены друг над другом[94]. Но как это объясняет свойства железа? Оно сравнительно твердое (значительно тверже, например, мелка или сыра), поскольку атомы в его структуре расположены очень близко друг к другу. Конечно, можно сказать, что железо и относительно мягкое (мягче стали или алмаза). С помощью молотка железному бруску можно придать форму, поскольку ряды его атомов способны двигаться друг относительно друга. А в отличие от стекла, другого твердого материала, железо гнется, потому что это допускает его атомная структура. Стекло же разрушается: его атомы не способны занимать новое положение, если вся структура не распадается (об особенностях стекла мы поговорим в следующей главе).
Железо хорошо проводит электричество: электроны в его плотно прилегающих друг к другу атомах объединяются в подобие потоков, которые движутся внутри железа, перенося электрический заряд от одного конца бруска к другому. Железо – также хороший проводник тепла, которое передается от атома к атому в ходе невидимой игры по принципу: «Тише, пропусти его вперед». При сильном нагревании оно краснеет, поскольку его атомы легко поглощают энергию. Но столь же легко они отдают ее назад.
Даже такой относительно простой элемент, как железо, хранит научные тайны. Например, если его достаточно разогреть и добавить сверху немного алюминия, то после остывания можно обнаружить, что атомы алюминия проникли внутрь кристаллической решетки железа. Один металл может растворяться в другом, образуя то, что в физике называется «твердыми растворами».
Союзники в сплавах
Металлы относительно просты. Иногда они просто хорошие, иногда просто плохие. Одна из проблем железа состоит, например, в том, что оно относительно слабо на изгибание и растяжение. Но если в него добавить углерод так, чтобы атомы последнего вошли в кристаллическую решетку железа и укрепились бы там, то можно получить гораздо более прочный материал. Так производятся чугун, кованое железо и сталь. Всё это сплавы (смесь металла с одним или более другими элементами). Сталь прочнее железа, потому что связанные с его атомами маленькие атомы углерода не позволяют атомам железа легко перемещаться друг относительно друга.
