Именно возможности широкого варьирования состава соединений редкоземельных металлов с неметаллами обеспечивает разнообразие физических и химических свойств, полученных на их базе веществ и материалов с заранее заданными свойствами (электрическими, магнитными, оптическими, механическими и химическими) для самых различных областей новой техники. Так что стабильный повышенный интерес к редким элементам вполне объясним.
Может ли, скажем, ту же космонавтику, металлургию или физику твердого тела оставить "равнодушными?" такое свойство редких элементов, как высокая термическая устойчивость? А ведь она у них, ч го называется, суперсупер. Гафний, ниобий, тантал и рений, например, плавятся при температуре свыше 2 тысяч градусов Цельсия.
Высокой огнеупорностью характеризуются их окислы, а температура плавления карбидов этих же элементов превышает 4 тысячи градусов. Но наибольшая тугоплавкость все же у смешанного карбида титана и гафния. Он плавится при 4125 градусах Цельсия.
Или другое достоинство редких элементов - их химическая инертность. Такое качество просто неоценимо в экстремальных условиях. Это на их основе создают специальные огнеупорные керамические материалы, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы. Они с успехом применяются и в качестве легирующих добавок при производстве специальных сталей, многократно повышая их механические и термические свойства.
Удивительно ли, что в последние три десятилетия исследования в этой области химии стали развиваться особенно интенсивно? То срабатывают мощнейшие стимулы развития науки - запросы и требования техники.
И отмахнуться, отгородиться от них невозможно. Иначе неумолимый научно-технический прогресс просто отбросит с пути замешкавшуюся область изысканий, найдя поддержку и опору в других близких областях. Именно поэтому создание новых материалов, обладающих такими свойствами и такими качествами, в которых отечественная промышленность может нуждаться, скажем, через два, а то и три десятилетия, дело уже сегодняшнего дня.
Не подумай, к примеру, отечественная химия и физика твердого тела о перспективных потребностях ультразвуковой, полупроводниковой техники, не создай заранее ее материальной, вещественной основы в виде ферритов, сегнетоэлектриков, диэлектриков, могла ли сегодня развиваться эта отрасль столь успешно?
Или взять хотя бы ту же микроэлектронику, удивительные возможности которой даже характеризуют с помощью химического термина - катализатор технического прогресса?
И это действительно так. Искусственный интеллект, например, без которого немыслима современная роботизация. - ее детище, многочисленные автоматические системы (управления, проектирования, вычисления, обучения) - ее епархия. А создание космических аппаратов, заводов-автоматов, гибких производств и т. д. и т. п.?
Все это - владения микроэлектроники. А вот ее собственные силы зависят всего от двух слагаемых - сверхчистых кристаллов и особочистых металлов. А они обязаны своим существованием химии. Чем совершеннее, миниатюрнее, точнее микроэлектронные приборы, тем строже, суровее требования к чистоте кристаллов и металлов, в них используемых. И хотя семейство полупроводниковых материалов год от года расширяется, основными среди них, по крайней мере, до конца столетия, останутся, вероятней всего, два германий и кремний.
К последнему у отечественной микроэлектроники особое пристрастие. А это значит, что химии надлежало в свое время не просто получить ультрачистый кремний, что само по себе дело не легкое, а поставить его производство на промышленный поток.
Сколь успешно мои коллеги, работающие в области полупроводниковых материалов, смогли это сделать, можно судить по всем нам известному факту: с конца 50-х годов громоздкие ламповые приемники из наших домов стали постепенно исчезать. Их заменили компактные, легкие, надежные полупроводниковые аппараты.
Но, как говорится, лиха беда - начало... И очень скоро рукотворная схема приемников и телевизоров достигла предела плотности, так что дальнейшая судьба оказалась предрешенной: на смену ей пришла так называемая интегральная схема. Но и здесь не обойтись без того же ультрачистого кристалла. Только теперь степень "ультра" надлежит еще больше увеличить, потому что все в том же неизменном кристалле кремния необходимо совместить множество элементов самого различного назначения. Как же это сделать?
Да очень просто: распределяя заданным образом примеси, соединяя тончайшими слоями проводника, нанесенными на поверхность кристалла, отдельные элементы.
Вот и выходит, что главные проблемы совершенствования микроэлектроники сводятся, если не на все сто, то уж на девяносто процентов, наверняка к проблемам химическим, к созданию фантастически чистых кристаллов.
И, разумеется, проблемам сохранения этой чистоты в процессе производства.
Мне не единожды доводилось держать в руках такую чудо-пластинку. И каждый раз, когда коллеги с химикометаллургических заводов предлагали ею полюбоваться, с удивлением думал: как же на такой тонкой, почти невесомой "плашечке" удается вместить информацию чуть ли не целой ЭВМ? И хотя прекрасно знаю, что приповерхностная часть этого супертвердого и суперчистого кристалла прекрасно выдержит все сложнейшие этапы многостадийного формирования лабиринтных схем микроэлектроники, поверить в это все же трудно.
Впрочем, химия давно и успешно работает над самыми разнообразными способами упрочнения поверхностного слоя. Особенно металлов. Сделать это можно, например, путем наклепа. Такой способ гарантирует увеличение рабочего срока конструкционного материала, в состав которого входит металл, в семь, а то и в десять раз!
Впрочем, химия, как никакая другая наука, способна предвосхищать грядущие потребности НТР. Так, например, случилось с созданием полимерных композиционных материалов.
Дело в том, что та же научно-техническая революция первоначально забраковала по многим параметрам "чистые" полимеры. Забраковала, хотя они, по сравнению с теми же металлами, обладали и целым рядом достоинств пластичностью, коррозионной стойкостью, легкостью.
А вот механические их свойства оставляли желать лучшего. Прочность, упругость, ползучесть, ударная вязкость полимеров не выдерживали конкуренции с металлами.
И тогда были созданы полимерные композиты.
Идея вводить в полимеры различные наполнители, чтобы придать им новые свойства, появилась еще в конце прошлого века. А первым наполненным полимером стала резина, вулканизованный каучук, наполненный сажей. В наши дни их целое семейство. Слоистые пластики, пресс-порошки, древесностружечные плиты, многослойная фанера, стеклопластики. Изжить основной недостаток полимеров - малую прочность удалось, например, благодаря их усилению коротенькими, не более 2 миллиметров длины, стекловолокнами. Сорок процентов такого наполнителя - ц прочность материала возрастала в 8 раз!
Но уже в самом начале работ по созданию композитов, ученым было очевидно - это не предел. Если, скажем, армировать пластики волокнами, полученными из монокристаллов бора, углерода и полимеров на основе ароматических смол, то можно добиться действительно уникальных композитов.
Так, собственно, и произошло в дальнейшем. Сегодня многие композиты на основе полимеров превосходят сталь по прочности и легче самых легких сплавов.
В качестве наполнителя полимерных композитов использовали и газ. Первый такой композит - всем известный пенопласт. Газонаполненные полимеры удивительно легки, обладают превосходными теплоизоляционным.!
свойствами, но, увы. к сожалению, весьма непрочны.
Правда, в дальнейшем исследователям удалось получить и пенопласты повышенной прочности, способные выдерживать значительные нагрузки. Они сейчас тоже нашли довольно широкое распространение.
Вообще нужно сказать, что комбинация неорганических и органических компонентов открывает в самых ра ь личных отраслях народного хозяйства невиданные перспективы. Они сделали реальностью легкие коррозионностойкие материалы, проводники нового типа (металлопласты), капсулированные удобрения, покрытые пленкой, способной растворяться с заданной скоростью.
Что ж, на этом я, пожалуй, и подведу черту под очень небольшим и очень фрагментарным рассказом о том, как наука реализует на практике заказы НТР. И как эти заказы стимулируют ее собственное развитие. Правда, в сложном, взаимопроникающем процессе обоюдного влияния не всегда возможно установить, идея ли, родившаяся в кабинете или лаборатории, привела к созданию нового материала или нужды практики привели к идее, революционизировавшей затем производство.
Да и не это, в конце концов, важно. Главное в другом, необходимо, чтобы фундаментальные исследования всегда развивались темпами, опережающими отраслевую пауку и практические нужды производства. Тогда любые самые сверхсрочные заказы НТР не окажутся для ученых и научно-исследовательских учреждений неожиданностью.
Эстафета
продолжается
Не в конфликте - в союзе?
Но не только нужды технической революции определяют сегодня развитие тех или иных научных направлений. Налицо, как я уже говорил, и обратный процесс, когда научные достижения диктуют особенности, своеобразие становления самых разных отраслей народного хозяйства. Взять, например, ту же малотоннажную химию, в продукции которой сегодня нуждаются практически все отрасли народного хозяйства. На июньском (1985 г.) совещании в ЦК КПСС по вопросам ускорения научно-технического прогресса Генеральный секретарь ЦК КПСС М. С. Горбачев так охарактеризовал острую необходимость ускоренного развития этого производства: "В мире нарастает настоящий бум малотоннажной химии, производства чистых и сверхчистых материалов, во многом определяющих уровень современной техники. Поэтому нужно удвоить, утроить усилия, чтобы не допустить отставание".
Чего же конкретно ждет экономика страны от индустрии, все чаще называемой катализатором катализаторов?
В первую очередь высокочистых веществ для микроэлектроники и волоконной оптики. О том, как конкретно сказываются достижения малотоннажной химии на успехах последней, можно судить хотя бы по сопоставлению таких фактов: световые потери в современных отечественных световодах не превышают одного децибела на километр. Одного! А еще в 70-х годах они были в десять раз больше.
Что же касается микроэлектроники, то только краткий экскурс в историю вопроса способен дать более или менее объективное представление о выдающейся роли новых материалов в ее становлении. Дело в том, что еще на заре развития электроники и радио ученые-экспериментаторы обнаружили интересный факт: некоторые материалы обладают особыми электрическими свойствами.
И кристаллические детекторы - "кошачьи усики" первых радиоприемников, а затем и селеновые выпрямители 1930-х годов (приборы, прославившиеся тем, что пропускали электрический ток только в одном направлении)
вскоре получили самое широкое распространение.
Позже, по мере возникновения и развития квантовой теории кристаллических материалов, физики пришли к пониманию того, что полупроводящие химические элементы, подобные селену и германию, образуют многообещающую пограничную структуру между проводящими материалами (такими, как алюминий и медь), которые свободно пропускают электроны, и изоляторами, которые их не пропускают. Дальнейшие исследования выявили возможность построения электрических усилительных схем путем образования соединений между полупроводящими зонами, обладающими разными свойствами. Именно в этом направлении и сосредоточили все свои системно-теоретические и экспериментальные усилия У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин из научно-исследовательского центра "Белл лаборатэриз". В 1948 году труды ученых увенчались созданием первого в мире транзистора.
Этот научный подвиг, удостоенный в 1956 году Нобелевской премии, был сразу расценен как революция в электронике. Транзисторы оказались не только меньше и гораздо надежнее ламп, на смену которым пришли, но еще и (что очень важно) не нуждались в горячем катоде как источнике электронов, следовательно, потребляли чрезвычайно мало электроэнергии.
Целое десятилетие доминирующим полупроводниковым материалом в транзисторах был германий. Затем роль лидера занял кремний, обладающий рядом преимуществ перед предшественником: при нагревании в присутствии кислорода он образует на своей поверхности слой диоксида кремния. Он является одним из наиболее известных изолирующих материалов и, кроме того, относительно непроницаем для большинства примесей окружающей среды, которые могут вывести из строя транзистор или значительно ухудшить его качество. Возможность вкрапливания кремния в сверхтонкие пленки диоксида кремния путем нагревания и последующего травления контролируемого рисунка схемы через диоксид кремния привела в 1960 году к созданию новой технологии, ставшей затем основой всей современной микроэлектроыпой промышленности.
При изготовлении полупроводниковых устройств большие единичные кристаллы кремния разрезаются на тонкие пластины, на поверхности которых проявляются элементы схемы. После обработки эти пластины, в свою очередь, разрезаются на чипы - маленькие квадратики миллиметровых размеров.
Современные чипы с большими интегральными схемами, например, в состоянии хранить в своей памяти 64 тысячи двоичных бит (единица измерения информации)
информации и выдать их в ЭВМ в течение какой-то доли микросекунды. И даже целый микрокомпьютер с процессором, памятью, вводно-выводной схемой можно построить на одном-единственном чипе. Более того, чипы с большими интегральными схемами теперь изготавливаются способом, чем-то похожим на фотолитографию, себестоимость которого относительно независима от сложности схемного рисунка, проявляемого на подложке. Этим и объясняется тот факт, что хотя в последнее время емкость чипа невероятно возросла, его себестоимость практически мало изменилась. Конечно, точность изготовления элементов и точность, с которой последующие слои микроэлементного рисунка накладываются один на другой, необходимо постоянно поддерживать на очень высоком уровне.
В конечном счете все упирается в качество кристалла, используемого в интегральной схеме. Бездефектные кристаллы бесценны при создании запоминающих устройств ЭВМ, элементы памяти которых основываются на использовании так называемых цилиндрических магнитных домен. Кристаллы, определяющие "интеллектуальные" способности электронного мозга, применяются здесь в виде пленок, и чем они совершеннее, тем шире возможности запоминающего устройства. Именно от качества кристалла зависит одна из его главных характеристик - емкость (количество хранимой информации). А к ней все жестче требования. Достаточно сказать, что библиотека конгресса США, например, содержит информацию в 10 в 15-ой степени бит, потенциальная емкость памяти нашего мозга составляет, по-видимому, 10 в 1012 степени - бит, а словарный запас человека (он определяется его культурным уровнем) - 10 в 5-105 бит.
А чтобы в наши дни достоверно предсказывать погоду, запоминающее устройство должно обладать объемом памяти порядка 1013 бит. Согласно прогнозам американских ученых микросхемы толщиной в один микрометр (0,001 миллиметра или один микрон) будут запущены в массовое производство уже приблизительно к 1990 году.
Оснований для таких предположений более чем достаточно. Неоптическая технология (запись изображения электронным лучом или рентгенолитография) может обеспечить и еще меньшие размеры, уже субмикронного порядка. Был бы только материал необходимой чистоты.